Analyse van supercondensatoren in een toepassing voor automatische magazijnen

Analyse van supercondensatoren in een toepassing voor automatische magazijnen Thijs Vanbecelaere

Promotoren: prof. Kurt Stockman, Simon Houwen Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master of Science in de industriële wetenschappen: elektrotechniek

Vakgroep Industrieel Systeem- en Productontwerp Voorzitter: prof. Kurt Stockman Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur Academiejaar 2014-2015

Analyse van supercondensatoren in een toepassing voor automatische magazijnen Thijs Vanbecelaere

Promotoren: prof. Kurt Stockman, Simon Houwen Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master of Science in de industriële wetenschappen: elektrotechniek

Vakgroep Industrieel Systeem- en Productontwerp Voorzitter: prof. Kurt Stockman Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur Academiejaar 2014-2015

Toela ng tot bruikleen "De auteur gee de toela ng deze masterproef voor consulta e beschikbaar te stellen en delen van de masterproef te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de bepalingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplich ng de bron uitdrukkelijk te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze masterproef." "The author gives permission to make this master disserta on available for consulta on and to copy parts of this master disserta on for personal use. In the case of any other use, the copyright terms have to be respected, in par cular with regard to the obliga on to state expressly the source whenquo ng results from this master disserta on."

1 juni 2015 Thijs Vanbecelaere

i

Voorwoord Er schuilt in iedereen een wereldverbeteraar, al zijn de ene ideeën de andere niet en qua realisme scoort de één al wat beter dan de ander. Als toekoms g elektrotechnisch ingenieur wil ik zaken op een nuchtere manier bekijken. Ik wil met andere woorden de wereld verbeteren door kleine dingen, want vele kleintjes maken een groot geheel. Vertrekkende vanuit die op ek en mijn eigen interesses, ben ik gaan kijken wat er allemaal mogelijk is. We kunnen bijvoorbeeld massaal inze en op hernieuwbare energiebronnen zoals zon, wind en water. Maar als we daarbij vergeten te denken aan het bredere kader en geen rekening houden met alle scenario’s, duiken er tal van problemen op waarvan ik denk dat die op Europees niveau aangepakt moeten worden. In de plaats van meer energie te produceren, kunnen we ook kijken om het energieverbruik te verminderen, want vandaag de dag gaat er veel energie verloren in warmte. Een van die manieren is bijvoorbeeld energierecupera e. Met energierecupera e creëer je een win-winsitua e. Elke Joule die gerecupereerd kan worden, is energie die niet opnieuw geproduceerd moet worden. Je voorkomt er CO2 -uitstoot mee, wat goed is tegen de opwarming van de aarde. Anderzijds kunnen die elementen ervoor zorgen dat het energietekort in België opnieuw een klein beetje minder nijpend is. De andere winsitua e is er voor de ondernemer die investeert in de technologie. Die ondernemer wordt een kkeltje minder a ankelijk van het elektriciteitsnet en uiteraard is elke kWh die minder betaald moet worden extra winst voor het bedrijf. Om die redenen heb ik gekozen voor een masterproef die het element energierecupera e bevat. In mijn masterproef onderzoek ik of energieopslag (met behulp van supercondensatoren) bij recupera e van energie een goede manier kan zijn om energie te besparen. In het laatste jaar als ingenieursstudent brengt een masterproef al eens wat zorgen met zich mee. Het was een jaar met heel wat ups en downs. Een ingenieur kan je alleen worden, maar een goede ingenieur word je pas in groep, door samen te werken. Daarom had ik graag nog een aantal personen willen bedanken voor de medewerking. Ik wil ing. Simon Houwen en prof. dr. ing. Kurt Stockman, mijn promotoren, bedanken voor de kri sche kijk op het inhoudelijk aspect van mijn masterproef. Voor het taalkundig gedeelte kon ik de hulp inroepen van Marie-Laure Haerens, MA. Vervolgens wens ik Maxime Vuylsteke, BSc te bedanken voor de prak sche kijk op supercondensatoren. Daarnaast wil ik prof. dr. eng. Noshin Omar van de VUB bedanken voor de informa e omtrent de theore sche beschouwing om supercondensatoren prak sch in een systeem te integreren. Tot slot zou ik mijn ouders en mijn collega-studenten een merci willen zeggen voor de blijvende interesse in hetgeen ik onderzocht heb. Thijs Vanbecelaere mei 2015

ii

Abstract This master’s thesis is about the recovery of energy in an automated warehouse, where there is major poten al for saving energy. First, a market research of various regenera ve technologies is conducted to place supercapacitors in the market. Only those technologies that are relevant to an automated warehouse are considered. Then, the taxonomy of the supercapacitors has viewed as well the implemen on of an energy buffer in a DC link. Next, a theore cal model is developed to analyse of the energy flows in three systems: AFE, a brake resistor and a setup with supercapacitors. That model is validated using a scalemodel that is able to detect errors. Once the model has been compared with the prac cal results, the dimensioning of the energy buffer can be performed. When dimensioning the buffer, an addi onal economic study should be able to tell what the payback me is of a buffer with supercapacitors. Meanwhile, the buffer is also compared with the burning of the braking energy and AFE.

iii

Analysis of supercapacitors in an application for automated warehouses Thijs Vanbecelaere Promoters: Prof. Dr. Eng. Kurt Stockman, Eng. Simon Houwen In cooperation with University Ghent campus Kortrijk and Egemin Academy year: 2014 – 2015

I. Introduction n the industry, there are many applications in wich energy is released in the process in the form of kinetic and potential energy. In the past, people did not think about recovering of energy and up until today, energy is burned into resistors. Today, companies realize that energy is expensive and scarce. That is why those companies are investigating whether or not supercapacitors could play an important role in the recovery of energy. In an automated warehouse, for example, braking energy can be recovered of a falling load. The stored energy can, further down in the process, be reused to absorb the peak load when accelerating.

I

Figuur 1: Ragoneplot of the main regenerative technologies

II.

Objective teries can store more energy compared with capacitors.

The thesis starts with a market study of a variety of technologies to place regenerative superconcapacitors into the market. Then, a literature study is performed on the taxonomy of supercapacitors, as well as on its implementation in a DC link. Based on the knowledge gained from the literature study, a simulation model is defined that simulates the energy flow in a industrial application. In this model, several technologies are implemented to create an overview of the energy costs and savings with supercaps compared with a brake resistor and active front end (AFE). The simulation model is validated using a scaled down version of a warehouse crane. In the future, the model can be used while dimensioning the capacitor bank.

III.

Flow battery The principle of a flow battery is based on a fuel cell. There is an important difference between a fuel cell and a battery. Fuel cells require a continuous source of reagents from the outside, for example hydrogen and oxygen, to sustain the chemical reaction (open system). In a battery the present chemicals react with each other (closed system). A flow battery is reversible, like a battery. The difference between a flow battery and a conventional battery is that fluid is being pumped through a flow battery. The development of flow batteries is still going on, but they will play an important role in the future. SMES

Market research and taxonomy

In superconducting magnetic energy storage (SMES), the energy is stored in the magnetic field of a coil. The current flowing in the coil has almost no resistance, because the installation is supercooled. Because of the supercooling, the costs of this technology are high.

A. Regenerative technologies There are several ways to buffer energy oversupplies. Figure 1 [1] is a ragoneplot that displays several technologies, which can be used for energy storage in a warehouse crane.

AFE In case of active front end (AFE), the conventional diode bridge is replaced by a bi-directional IGBT bridge, through which energy can be sent back to the energy grid.

Batteries Batteries are powered by redox reactions. Compared to capacitors, batteries react slower. On the other hand bat1

Tabel 1: Combination to form hybrid capacitors

Capacitors In a capacitor, the energy is stored in an electric field. They have, in contrast to batteries, a quick response but may not have high levels of energy storage. Between capacitors and batteries, there is a void. This emptiness can be filled with supercapacitors (see Figure 1). Supercapacitors combine the best properties of the two technologies into a entirety.

type

+ electrode

- electrode

composite

EDLC

EDLC

asymmetric batteries

conducting polymer metal oxide

EDLC EDLC

electrolyte conducting polymer / metaaloxide conducting polymer metal oxide

B. Taxonomy EDLC In an electric double-layer capacitor (EDLC), there are 2 properties of the ordinary capacitor optimized. In order to increase the capacitance value, the surface of the electrode is increased, and the dielectric adapted. Enlarging the surface can be realised by replacing the solid structure of the electrode. That can be a powder (active carbon), but also carbon fibers, aerogels, nanotubes and graphene in the future. The insulator is replaced by an electrolyte. In these cases, it must be ensured that the electrodes do not come into contact with each other. Figuur 2: Optimal implementation of a energy buffer

Pseudo-capacitors Pseudo-capacitors use redox reactions to buffer energy. There are two types: conductive polymers and metal oxides. Pseudo-capacitors have in general a greater capacity compared with an EDLC. There is a forced redox reaction when charging of the capacitor takes place. This causes stability problems with conductive polymers. Metal oxides do not have that problem, but they have a higher cost.

circuit voltage fluctuates around 600V. Supercaps do not have high voltage unless there is a large number connected in series. Second, the drive includes an regulation so that the energy buffer is charging and discharging optimal.

V. Theoretical model A regenerative unit was added to the energetic model of a warehouse crane. The unit consists of 3 parts for three types of simulations. The tests are performed where AFE, brake resistors and an energy buffer with supercaps can be compared with each other. In Figure 3, the electrical part of the model is displayed. Energy is fed back into the grid by AFE if there comes energy from the application. In the case of a braking resistor, the released energy is burned so that it is converted into heat. When choosing the energy buffer with supercapacitors, the buffer is charged by an oversupply of energy and discharged when the system needs energy. If the buffer is exhausted, energy is injected from the grid.

Hybrid capacitors A hybrid capacitor combines the features of an EDLC with that of a pseudo-capacitor to improve the performance. There are three types: the composites, asymmetrical and battery-like capacitors. Table 1 shows the types displayed together with the combination of EDLC or pseudocap which they are constructed. Because the charge is stored chemically and physically, the capacity value of hybrid capacitors is the highest.

IV. Implementation of a powerbank The capacitor bank can be integrated into the DC circuit of the drive of a motor. According to research conducted at the VUB [2], the emplacement that works as shown in Figure 2 is the most efficient. There is a DC/DC convertor between the DC link and the capacitor bank. First, the transducer is positioned because the intermediate

VI. Modelation With the aid of a model, the energy flows of the three systems can be analyzed. The route which is selected 2

VIII. Conclusion It can be concluded that energy buffering through supercapacitors is more efficient compared to AFE. In contrast, it is certain that the technique of AFE is cheaper and requires less support compared with a energy buffer of supercapacitors. Another advantage of supercaps is to absorb peak loads of an application, for example, during acceleration. As a result, the grid is less overloaded and the cables can be dimensioned smaller.

IX. Suggestions for further research In this masters thesis, the focus lies on an energy buffer based on supercapacitors. To optimize the energy storage for larger storage volumes, research can be done to combine systems wherein there are parallels to the supercapacitors batteries. Also, a combination of AFE and energy buffering can be examined. As a second item, the economic study can be refined by taking into account the dimensioning of transformers and power cables. In addition, the difference in consumption between AFE and an energy buffer can be included, which was neglected in this study. In the study, it was assumed that the inverters operate with a constant efficiency. However, that is not the case. The model can be extended with the efficiency curves of the inverters. Finally, the effect of the internal resistance of the supercap can be investigated to detect a loss of efficiency.

Figuur 3: Electrical part of the simulation model

exists of a dropping from 10.8 m with a mass of 3450 kg and then a rise with the same parameters. This analysis shows that the efficiency of the inverter (DC/DC inverter for the energy buffer and DC/AC converter for the emplacement of AFE and the energy buffer) is the main factor in order to determine the energy-efficiency. The result of this modelation is that an energy buffer with supercapacitors works about 1% more efficiently compared with AFE.

VII. Dimensioning

Referenties [1] M. Aslani, “Electrochemical double layer capacitors (supercapacitors),” 2012. [2] J. V. Mierlo, J.-M. Timmermans, G. Maggetto, and P. V. D. Bossche, “Peak power based fuel cell hybrid propulsion system,” in The World Electric Vehicle Association Journal, pp. 54–61, WEVA, 2007.

Figuur 4: Payback period with energy recuperation

The simulation model is the foundation for an analysis of the energy surplus in a DC link. With the data, combined with the calculation of the service life of the components, the payback period can be calculated. Figure 4 shows that an installation of AFE is cheaper than an emplacement of supercapacitors. The supercaps have to be replaced after a while. This entails an additional cost, but this is still better compared to the burning of the released energy. Nevertheless, the payback period is less than 4 years. 3

Analyse van supercondensatoren in een toepassing voor een automatisch magazijn Thijs Vanbecelaere Promotoren: prof. dr. ing. Kurt Stockman, ing. Simon Houwen In samenwerking met Universiteit Gent campus Kortrijk en Egemin Academiejaar: 2014 – 2015

I.

Inleiding

n de industrie zijn er heel wat toepassingen waar er kinetische of potentiële energie vrijkomt in het productieproces. Vroeger dacht men nog niet aan het recupereren van die energie en wordt het nog tot op vandaag de dag verbrand in remweerstanden. Nu begint meer en meer het gedacht te groeien dat energie schaars en duur wordt. Om die reden gaat men kijken om de energie te recupereren waarbij supercondensatoren een belangrijk rol kunnen spelen. In, bijvoorbeeld, een automatisch magazijn kan remenergie van een dalende last gerecupereerd worden. Die energie kan gestockeerd worden om het later terug te kunnen gebruiken in het proces om de piekbelasting op te vangen.

I

Figuur 1: Ragoneplot van significante regeneratieve technologieën

Batterijen

II. Doelstellingen

Batterijen slaan energie chemisch op via een redoxreactie. Vergeleken met condensatoren reageren batterijen trager, maar kunnen meer energie opslaan.

In de masterproef wordt er gestart met een marktstudie van diverse regeneratieve technologieën om supercondensatoren in de huidige markt te kunnen situeren. Vervolgens wordt er een literatuurstudie uitgevoerd naar de taxonomie van de supercaps alsook de implementatie ervan in een DC-tussenkring. Op basis van de opgedane kennis uit de literatuurstudie wordt een simulatiemodel opgesteld die de energie flow in een industriële applicatie simuleert. In dit model worden er verschillende technologieën geïmplementeerd om een beeld te schetsen van de mogelijke energiekosten en besparing van supercaps ten opzichte van conventionele remweerstanden of active front end (AFE). Dat model wordt aan de hand van een schaalmodel gevalideerd om een dimensionering te kunnen uitvoeren van de condensatorbank.

III.

Flow battery Het principe van een flow battery is gebaseerd op een brandstofcel. Een brandstofcel lijkt op het eerste zicht op een batterij, maar er is een belangrijk verschil. In een brandstofcel kunnen namelijk steeds opnieuw reagentia (bijvoorbeeld: waterstof en zuurstof) van buitenaf worden aangevoerd, terwijl de reagentia in een batterij of accu opgeslagen zitten in een compact gesloten stelsel. Een flow battery is net als een batterij reversibel. Het verschil tussen een flow battery en een traditionele batterij is dat er een vloeistof rondgepompt wordt. De ontwikkeling staat nog in zijn kinderschoenen, maar zal in de toekomst een belangrijke rol kunnen spelen.

Marktstudie en taxonomie SMES

A. Regeneratieve technologieën

Bij supergeleidende magnetische energieopslag (SMES), wordt de energie opgeslagen in het magnetisch veld van een spoel. De stroom die in de spoel vloeit, ondervindt nagenoeg geen weerstand, omdat de opstelling supergekoeld wordt. Omwille van de superkoeling loopt de kostprijs voor die technologie hoog op.

Er zijn verschillende mogelijkheden om vrijgekomen energie te bufferen. In figuur 1 [1] wordt een ragoneplot weergegeven van diverse technologieën die gebruikt kunnen worden voor energieopslag bij een magazijnkraan. 1

misch lading opgeslagen wordt, zijn de capaciteitswaarden van hybride condensatoren het hoogst.

Active Front End Bij AFE wordt de klassieke diodebrug in een drive vervangen door een bidirectionele IGBT-brug waardoor er energie kan teruggestuurd worden naar het net.

Tabel 1: Combinaties om de hybride condensator te vormen

Condensatoren In een condensator wordt de energie opgeslagen in een elektrisch veld. In tegenstelling tot batterijen hebben condensatoren een snelle respons, maar kunnen ze geen grote hoeveelheid energie opslaan.

type

+ elektrode

- elektrode

composieten

EDLC

EDLC

asymmetrisch batterij-achtigen

Tussen condensatoren en batterijen is er een leegte. Dat gat kan opgevuld worden met supercondensatoren (zie figuur 1). Die supercaps combineren de beste eigenschappen van beide technologieën tot een geheel.

geleidende polymeer metaaloxide

EDLC EDLC

elektrolyt geleidende polymeer / metaaloxide geleidende polymeer metaaloxide

IV. Implementatie van een condensatorbank

B. Taxonomie EDLC Bij een elektrische dubbellaagscondensator (EDLC) worden 2 eigenschappen van de gewone condensator geoptimaliseerd. Enerzijds wordt het oppervlak van de elektrode vergroot. Dat gebeurt door de vaste materie van de elektrode te vervangen. Dat kan een poeder (actief kool) zijn, maar ook koolstofvezels, aerogels, nanobuisjes en in de toekomst grafeen. Daarnaast wordt het diëlektricum aangepast. De isolator in een gewone condensator wordt vervangen door een elektrolyt. Daarbij moet er wel voor gezorgd worden dat de elektroden niet in contact komen met elkaar. Figuur 2: Optimale implementatie van een energiebuffer

Pseudocondensatoren

De condensatorbank kan geïntegreerd worden in de tussenkring van de snelheidsregelaar van een motor. Volgens onderzoek dat gevoerd werd aan de VUB [2], werkt de opstelling zoals weergegeven in figuur 2 het efficiëntst. Tussen de tussenkring en de condensatorbank is er een DC/DC-omvormer. Die omvormer wordt ten eerste geplaatst omdat de tussenkringspanning rond de 600 V schommelt. Supercaps kunnen die hoge spanning niet aan tenzij er een groot aantal in serie geschakeld wordt. Ten tweede bevat de omvormer een regeling zodat de energiebuffer optimaal open ontladen wordt.

Pseudocondensatoren maken gebruik van redoxreacties om energie te bufferen. Er bestaan 2 types: geleidende polymeren en metaaloxiden. Pseudocondensatoren hebben in het algemeen een grotere capaciteitswaarde vergeleken met een EDLC. Bij het opladen van de condensatoren vindt er een geforceerde redoxreactie plaats die bij geleidende polymeren voor stabiliteitsproblemen zorgt. Daardoor wordt er maar weinig onderzoek daaromtrent gevoerd. Metaaloxiden hebben dat probleem niet, maar hebben een hoge kostprijs.

V. Simulatiemodel

Hybride condensatoren

In het energetisch model van een magazijnkraan wordt er een regeneratieve unit toegevoegd. De unit bestaat uit 3 delen voor 3 types simulaties. Er worden testen uitgevoerd waarbij AFE, remweerstanden en een energiebuffer met supercaps met elkaar vergeleken kunnen worden. In figuur 3 wordt het elektrisch gedeelte van dat model weergegeven.

Een hybridecondensator combineert de eigenschappen van een EDLC met dat van een pseudocondensator om de prestaties te verbeteren. Er bestaan 3 types: de composieten, de asymmetrische en de batterij-achtige condensatoren. In tabel 1 worden de types weergegeven samen met de combinatie van EDLC of pseudocap waaruit ze zijn opgebouwd. Omdat er zowel fysisch als che2

Figuur 4: Terugverdientijd met energierecuperatie Figuur 3: Elektrisch gedeelte van het simulatiemodel

VIII. Bij AFE wordt er energie teruggestuurd naar het net indien er energie vrijkomt uit de applicatie. Bij een remweerstand wordt de vrijgekomen energie verbrand waarbij het dus omgezet wordt in warmte. Bij de energiebuffer met supercondensatoren wordt de buffer opgeladen tijdens het dalen en wordt die vervolgens terug ontladen wanneer het systeem energie nodig heeft. Als de buffer uitgeput is, wordt er energie onttrokken uit het net.

VI.

Besluit

Er kan besloten worden dat energieopslag via supercondensatoren efficiënter is vergeleken met AFE. Daartegenover staat wel dat de techniek van AFE goedkoper is en minder nazicht vraagt vergeleken met een buffer van supercondensatoren. Een ander voordeel van supercaps is het opvangen van piekbelastingen van een applicatie bijvoorbeeld tijdens het accelereren. Dit zorgt ervoor dat de toevoerleidingen naar de applicatie minder belast worden en ze bijgevolg kleiner gedimensioneerd kunnen worden.

Modelatie

Aan de hand van het model worden de energiestromen van de 3 systemen geanalyseerd. Het traject dat gekozen werd, bestaat uit een val- en stijgbeweging van 10,08 m met een massa van 3450 kg. Uit die analyse volgt dat het rendement van de omvormers (DC/DC-omvormer voor de supercaps en DC/AC-omvormer voor de opstelling met AFE en de supercaps) de belangrijkste factor is om de energie-efficiëntie te bepalen. Het resultaat van de modelatie is dat een energiebuffer met supercondensatoren ongeveer 1% efficiënter werkt vergeleken met AFE.

IX.

Suggesties voor verder onderzoek

In deze thesis wordt er gefocust op een energiebuffer gebaseerd op supercondensatoren. Om de energieopslag te optimaliseren voor grotere opslaghoeveelheden, kan er onderzoek gevoerd worden naar combinatiesystemen waarbij batterijen, supercondensatoren en/of AFE gecombineerd kunnen worden. Als tweede item kan het verschil in verbruik tussen AFE en de energiebuffer meegerekend worden die nu verwaarloosd werd. Daarnaast kan de economische studie verfijnd worden door rekening te houden met de dimensionering van transformatoren en energiekabels. In de studie werd er van uitgegaan dat de omvormers met een constant rendement werken. Dit is echter niet zo. Het model kan nog uitgebreid worden met de isorendementscurve van de omvormers. Tot slot kan het effect van de inwendige weerstand van de supercap bekeken worden om een eventueel rendementsverlies in kaart te brengen.

VII. Dimensionering Aan de hand van het simulatiemodel kan het energieoverschot in DC-bus geanalyseerd worden. Met behulp van die gegevens, samen met de berekening van de levensduur van de componenten, kan de terugverdientijd berekend worden. Uit figuur 4 valt af te leiden dat een opstelling met AFE goedkoper is dan één met supercondensatoren. De supercaps moeten na verloop van tijd vervangen worden. Dat brengt een extra kost met zich mee, maar het is nog altijd beter vergeleken met het verbranden van de restenergie. Desalniettemin is de terugverdientijd kleiner dan 4 jaar. Daarnaast kan ook berekend worden hoeveel opslag er voorzien moet worden. De benodigde capaciteit kan enkel berekend worden indien ook de minimale en de maximale spanning over de condensatorbank gekend is.

Referenties [1] M. Aslani, “Electrochemical double layer capacitors (supercapacitors),” 2012. [2] J. V. Mierlo, J.-M. Timmermans, G. Maggetto, and P. V. D. Bossche, “Peak power based fuel cell hybrid propulsion system,” in The World Electric Vehicle Association Journal, pp. 54–61, WEVA, 2007. 3

Lijst met a or ngen A AFE

Ac ve Front End

E ECP EDLC ESR

Electronically Conduc ng Polymers Elektroly sche Dubbellaagscondensator Equivalent Series Resistance

S SMES SSA

Supergeleidende Magne sche Energieopslag Specific Surface Area

x

Symbolen en fysische constantes Symbolen A C D,l E E0 I J K P Q R T U α ϵr η ω

oppervlakte capaciteit afstand energie normpoten aal van het redoxkoppel stroom iner e temperatuur vermogen lading weerstand koppel spanning

[m2 ] [F] [m] [Ws of J] [V] [A] [kg · m2 ] [K] [P] [C] [Ω] [Nm] [V]

farad meter joule volt ampère kelvin wa coulomb ohm Newtonmeter volt

[ rad s2 ]

hoekversnelling rela eve permi viteit rendement omtreksnelheid

% rad s

Fysische constantes Elektrische veldconstante

ϵo

=

8.85 × 10−12

F m

xi

Inhoudsopgave 1 Inleiding 1.1 Bestemming van het project . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Onderzoeksvraag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Overzicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Supercaps: marktstudie en taxonomie 2.1 De klassieke condensator . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1 Basisformules . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2 Vervangingscapaciteit . . . . . . . . . . . . . 2.2 Regenera eve technologieën . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 Vliegwiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2 SMES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.3 Ba erijen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.4 Brandstofcel / flow ba ery . . . . . . . . . . . 2.2.5 Ac ve front end . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.6 Overzicht van de regenera eve technologieën 2.2.7 Besluit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Supercondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1 Taxonomie van supercondensatoren . . . . . . 2.3.2 Elektrische dubbellaagscondensator . . . . . . 2.3.3 Pseudocondensatoren . . . . . . . . . . . . . 2.3.4 Hybride condensatoren . . . . . . . . . . . . . 2.3.5 Overzicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.6 Besluit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 Supercaps: implementa e 3.1 Topologieën van de tussenkring . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1 DC-omvormer op de DC-bus . . . . . . . . . . . . 3.1.2 DC-omvormer op het opslagsysteem . . . . . . . . 3.1.3 DC-omvormer op de DC-bus en het opslagsysteem 3.2 Onderzoek van de energieopslag . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Invloed van een DC/DC-omvormer . . . . . . . . . . . . . 3.4 Prak sche problemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5 Besluit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Theore sch model 4.1 Bespreking simula emodel . . . . . . . . . . . 4.2 Simula e van een traject: ver cale beweging . 4.2.1 Remweerstanden . . . . . . . . . . . . 4.2.2 Condensatorbank . . . . . . . . . . . . 4.2.3 AFE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.4 Efficiën eberekeningen . . . . . . . . . 4.3 Simula e van een traject: horizontale beweging 4.3.1 Remweerstanden . . . . . . . . . . . . 4.3.2 Condensatorbank . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . . .

1 1 1 2

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 3 4 4 5 5 5 5 6 7 7 8 10 10 11 15 16 17 18

. . . . . . . .

19 19 19 20 20 20 21 23 23

. . . . . . . . .

24 24 27 29 30 31 31 32 33 33

xii

Inhoudsopgave

4.4

4.3.3 AFE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.4 Efficiën eberekeningen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conclusie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

34 34 35

5 Valida e van het model 5.1 Het concept: energievrijgave . . . . . . 5.2 Definiëren van het traject . . . . . . . . 5.3 Prak sche me ngen . . . . . . . . . . 5.3.1 Meetopstelling . . . . . . . . . 5.3.2 Meetgegevens . . . . . . . . . 5.4 Vergelijking met het theore sch model . 5.4.1 Meetgegevens . . . . . . . . . 5.5 Besluit . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

36 36 37 38 38 39 40 40 41

6 Dimensionering 6.1 Het economisch model . . . . 6.1.1 Condensatorbank . . . 6.1.2 AFE . . . . . . . . . . 6.1.3 Terugverdien jd . . . 6.2 Dimensioneren van supercaps 6.3 Besluit . . . . . . . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

42 42 42 42 42 43 44

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

7 Besluit

45

A Redoxreac es

49

B Code regenera eve unit

50

C Code economisch model

52

xiii

Lĳst van tabellen 2.1 2.2 2.3

Overzicht van types flow ba eries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Overzicht van de regenera eve technologieën . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Overzicht van de supercaps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6 9 17

3.1 3.2

Het primair verbruik bij de verschillende opstellingen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Overzicht beschikbare energiebuffers op de markt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20 23

5.1 5.2

Rendementen van de omvormers en de motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Procentuele afwijking tussen het simula emodel en de testbank . . . . . . . . . . . . . . . . . .

39 40

xiv

Lĳst van figuren 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12

Opladen van een condensator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ontladen van een condensator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . De werking van een flow ba ery [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Het verschil tussen een diode- en een ac eve gelijkrich ng . . . . . . . . . . . Overzicht van de energiedichtheid van diverse componenten . . . . . . . . . . Vergelijking tussen een condensator en een supercondensator (EDLC) . . . . . Taxonomie van supercaps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Principiële werking van een EDLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Het equivalent schema van een EDLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Werkingsprincipe van een redoxreac e [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Het op-/ontladen van een hybride condensator van het asymmetrische of het ba Evolu e van condensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . erij-ach ge type [2] . . . . . . . . . .

3 4 6 7 7 10 10 11 12 15 17 18

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7

Het basismodel van de opstelling van een tussenkring . . . . . . Tussenkring met omvormer op de DC-bus . . . . . . . . . . . . Tussenkring met omvormer voor het opslagsysteem . . . . . . . Tussenkring met omvormer op de DC-bus en het opslagsysteem Vergelijking van de invloed van een DC-convertor . . . . . . . . De invloed van de spanning op een DC/DC-omvormer . . . . . . De invloed van de stroom een DC/DC-omvormer . . . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

19 19 20 20 21 22 22

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14

Schema sche voorstelling simula emodel . . . . . . Overzicht van het elektrische gedeelte van het simula Snelheidsprofiel van de motoren . . . . . . . . . . . Energieprofiel van de ver cale beweging . . . . . . . Energiedissipa e van de remweerstand . . . . . . . Energieprofiel van het net . . . . . . . . . . . . . . Energie die naar de condensatorbank gaat . . . . . . Energieprofiel van het net . . . . . . . . . . . . . . Energieprofiel van het net . . . . . . . . . . . . . . Snelheidsprofiel voor een horizontale beweging . . . Energieprofiel voor een horizontale beweging . . . . Energieprofiel van het net . . . . . . . . . . . . . . Energieprofiel van de condensatorbank . . . . . . . Energieprofiel van het net bij AFE . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

24 26 27 27 29 29 30 30 31 32 32 33 33 34

5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6

Koppel en snelheidsverloop bij een gecontroleerde vallende beweging 4 kwadrantenwerking van een motor [3] . . . . . . . . . . . . . . . . Snelheidsprofiel van de gekozen beweging . . . . . . . . . . . . . . . Meetschema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Meetresultaten van de testbank . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vergelijking van het simula emodel met prak sche me ngen . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

36 37 37 38 39 40

6.1 6.2

Terugverdien jd van supercondensatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Energie die naar de condensatorbank gaat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43 43

. . . . . emodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . .

xv

Lijst van figuren

A.1 Schema sche weergave van de redoxreac e tussen koper en zink . . . . . . . . . . . . . . . . .

49

xvi

1

Inleiding

Als een bedrijf meer concurren ekracht wil, moeten zo weinig mogelijk indirecte kosten (of bedrijfskosten) gemaakt worden. Een manier om die kosten te drukken, bestaat erin de produc e-eenheden zo energie-efficiënt mogelijk te laten func oneren. In de industrie worden er veel elektromotoren gebruikt die ingezet kunnen worden bij toepassingen waarbij er constant versneld en afgeremd wordt, bijvoorbeeld in een automa sch magazijn. Een automa sch magazijn is een geautoma seerde opslagplaats voor goederen. Daarbij worden kranen aangedreven om voorwerpen in een magazijn te plaatsen of eruit te halen. Bij het afremmen verbrandt men meestal de overbodige energie via een remweerstand. Om die energie te recupereren, kan men die elektrisch opslaan in een energiebuffer gekoppeld op de tussenkring van de snelheidsregelaar. In het kader van deze masterproef zal de implementa e van supercondensatoren in een automa sch warenhuissysteem onderzocht worden.

1.1 Bestemming van het project Egemin Automa on is een bedrijf uit Antwerpen dat zich specialiseert in automa seringsprojecten. Het bedrijf hee als doel oplossingen te creëren voor de industrie die een compe ef voordeel kunnen opleveren. In het kader van logis eke automa sering en strategisch energiebeheer kwam de vraag van Egemin Automa on om een idee uit te werken om energie te recupereren in een automa sch warenhuis. [4]

1.2 Onderzoeksvraag Het doel van deze masterproef is het onderzoeken van supercondensatoren voor de opslag van remenergie in de tussenkring. Daarbij wordt geanalyseerd of supercondensatoren beter zijn dan Ac ve Front End (AFE), waarbij de remenergie terug in het net geïnjecteerd wordt. De thesis bestaat uit 4 luiken. 1 Er wordt gestart met een marktonderzoek naar regenera eve technologieën om de supercondensatoren te posi oneren in de markt. Vervolgens wordt er ook in de literatuurstudie onderzocht hoe men de supercondensatoren het best in een tussenkring integreert. 2 In het tweede luik wordt er een theore sch model uitgewerkt, waarbij er verschillende testbanken gesimuleerd worden. Ten eerste wordt er een analyse gemaakt om te kijken hoeveel energie er bespaard kan worden met een energiebuffer vergeleken met het verbranden van de remenergie. Ten tweede wordt er gekeken of supercondensatoren al dan niet beter zijn vergeleken met AFE. 3 Daarna worden die testen effec ef uitgevoerd op een testbank (schaalmodel). 4 Tot slot wordt er via het theore sche model een dimensioneringsoefening uitgevoerd om supercondensatoren te kunnen dimensioneren. Hierbij wordt er gekeken welke parameters er van belang zijn bij een dimensionering. Daarnaast vindt er ook een economische studie plaats.

1

Chapter 1. Inleiding

1.3 Overzicht In hoofdstuk 2 wordt een literatuurstudie uitgevoerd naar de technische en economische eigenschappen van een supercondensator. Daarbij worden supercondensatoren vergeleken met andere regenera eve technologieën en wordt de taxonomie van supercondensatoren besproken. Vervolgens wordt in hoofdstuk 3 onderzocht hoe men de condensatorbank het best implementeert in een drive-opstelling. Om een opstelling met supercondensatoren te kunnen vergelijken met AFE, wordt in hoofdstuk 4 gestart met de opbouw van een theore sch model in MATLAB. Dat model bevat simula es van 3 configura es, namelijk een opstelling met AFE, remweerstanden en supercondensatoren. In hoofstuk 5 wordt het simula emodel gevalideerd met behulp van een testopstelling. Met die conclusies wordt er in hoofdstuk 6 een dimensioneringsoefening aan gekoppeld samen met het economisch model.

2

2

Supercaps: marktstudie en taxonomie

DC-remming, fluxremming en remmen via een remweerstand zijn technieken waarbij een motor tot s lstand wordt gebracht en er geen energie gerecupereerd wordt. Die energie gaat namelijk verloren in warmte. Om die energie te kunnen hergebruiken, zijn er verschillende technologieën beschikbaar. In dit hoofdstuk worden eerst een paar algemeenheden in verband met condensatoren toegelicht. Daarna worden de relevante regenera eve technologieën besproken en met elkaar vergeleken om tot slot dieper in te gaan op de supercondensator. Daarbij wordt de taxonomie van de supercondensator gepresenteerd en wordt ieder type besproken.

2.1 De klassieke condensator De elektrosta sche condensator kan het eenvoudigst voorgesteld worden door 2 evenwijdige plaatjes (zie figuur 2.1). De plaatjes zijn geleiders die dicht bij elkaar staan en gescheiden worden door een isolator. Als er een DC-spanning over de condensator wordt aangelegd, zal de lading zich gaan verspreiden zodat de elektroden (of plaatjes) posi ef respec evelijk nega ef geladen worden. Daardoor ontstaat er een elektrisch veld waarbij er energie opgeslagen kan worden. Tussen de geleiders is er een isolator die ervoor moet zorgen dat de lekstroom minimaal is. De isolator, ook wel het diëlektricum genoemd, wordt gekenmerkt door de permi veit. Hoe groter die waarde, hoe groter de waarde van de capaciteit.

Figuur 2.1: Opladen van een condensator

Bij het ontladen van de condensator gebeurt net het omgekeerde (zie figuur 2.2). Hierbij zal de condensator zich gedragen als een bron. De elektronen verlaten de nega ef geladen plaat en gaan door de belas ng. Vervolgens komen de elektronen aan bij de posi ef geladen plaat. Hierdoor ontstaat er een interac e waarbij het elektrisch veld daalt.

3

Chapter 2. Supercaps: marktstudie en taxonomie

Figuur 2.2: Ontladen van een condensator

2.1.1 Basisformules De waarde van de capaciteit [C] van een condensator is recht evenredig met de lading [Q] ervan, maar omgekeerd evenredig met de spanning [U], wat weergegeven wordt in formule 2.1. Q (2.1) U Diezelfde waarde kan ook berekend worden via formule 2.2, waarbij men de capaciteit berekent aan de hand van de fysische eigenschappen van de condensator. Daarbij is de capaciteit a ankelijk van het type diëlektricum [ϵr ] alsook van de oppervlakte [A] van de geleiders en de afstand [D] ertussen. C=

A (2.2) D De maximale energie die opgeslagen kan worden in een condensator wordt beschreven in formule 2.3 en is enkel a ankelijk van de waarde van de capaciteit en de spanning die over de condensator staat. C = ϵ0 ϵr

1 · CU 2 (2.3) 2 De hoeveelheid energie die uitgewisseld wordt met een condensator, bij een varia e van de spanning, kan berekend worden aan de hand van formule 2.4. Eopgeslagen =

Euitwisseling =

1 1 2 2 · CUmax. − · CUmin. 2 2

(2.4)

2.1.2 Vervangingscapaciteit Serieschakeling In een serieschakeling van condensatoren is de lading in elke condensator constant. De totale spanning gelijk aan de som van de deelspanningen en de totale capaciteit is kleiner dan de kleinste capaciteit. Concreet wordt alles in de volgende formules nog eens weergegeven. ∑ 1 1 = Ctot Ci i=1 n

(2.5)

Qtot = Q1 = Q2 = .. = Qn Utot = U1 + U2 + .. + Un .

4


Parallelschakeling In een parallelschakeling van condensatoren zijn de spanningen over de condensatoren gelijk en mogen de capaciteitswaarden opgeteld worden om de totale capaciteitswaarde te kennen. Ctot =

n ∑

Ci

i=1

Utot = U1 = U2 = .. = Un Uit formule 2.1 volgt dan dat de totale lading gelijk is aan: Qtot = U ·

n ∑

Ci

i=1

2.2 Regenera eve technologieën Energierecupera e is vandaag de dag een hot topic. Daardoor zijn er talloze ideeën bedacht en de supercondensator is daar één van. Zo kan energie thermisch, mechanisch, chemisch of elektrisch opgeslagen worden. In wat volgt, wordt er een overzicht gegeven van de relevantste technieken voor energieopslag in een toepassing voor een automa sch warenhuis.

2.2.1 Vliegwiel Een vliegwiel stockeert mechanische energie in een ronddraaiende massa. Het wiel wordt 'opgeladen' met behulp van schakelende spoelen of met het versnellen van een elektromotor. Wanneer er energie nodig is, wordt de energie van het vliegwiel terug vrijgegeven aan de motor die als generator fungeert. Het wiel wordt voorzien van lagers en wordt meestal in een vacuüm geplaatst om wrijvingsverliezen te beperken. Die techniek wordt vooral gebruikt bij motoren in toepassingen waarbij deze aan een gelijkma ge snelheid moeten draaien of om de jd te overbruggen om een noodgenerator op te starten bij een stroompanne. [1, 5]

2.2.2 Supergeleidende Magne sche Energieopslag (SMES) Bij magne sche energieopslag wordt de energie opgeslagen onder de vorm van een magne sch veld. De construc e bestaat uit een supergeleidend materiaal: een legering van niobium of tanium. Dat materiaal wordt opgebouwd in een donutvorm en wordt ondergebracht in een omgeving van gekoeld helium of s kstof dat zich in de vloeistoffase (± 4.5 K) bevindt. De DC-stroom die in de spoel vloeit, ondervindt nagenoeg geen weerstand in de supergeleider, waardoor het rendement hoog is vergeleken met andere regenera eve technologieën. Het nadeel aan de technologie is dat ze nog in de kinderschoenen staat. Samen met het feit dat er veel energie nodig is om de geleiders te koelen, zorgt dat ervoor dat de prijs hoog is. Daartegenover staat dat de energie die opgeslagen kan worden in een SMES systeem groot is. [1]

2.2.3 Ba erijen Ba erijen zijn de oudste en de meest bekende vorm van energieopslag, waarbij de energie chemisch opgeslagen wordt met behulp van redoxreac es (voor de werking van redoxreac es, zie appendix A). Het proces is reversibel, waardoor de ba erijen open ontlaadbaar zijn. Dat ba erijen op grote schaal niet doorgebroken zijn, hee te maken met het feit dat een ba erij een lage energiedichtheid, kleine capaciteit, een rela ef hoge reac e jd, hoge kosten en een korte aantal laadcyclussen hee . Daarnaast is de ecologische impact van een ba erij groot. Nie egenstaande de vele nadelen, gebeurt er nog veel onderzoek naar ba erijen. Zo bestaan er verschillende types zoals nikkel-cadmium, lood, natriumsulfide en zout-nikkel. Recenter is de ontwikkeling van lithium-ionba erijen. [5]

5


2.2.4 Brandstofcel / flow ba ery Een brandstofcel maakt gebruik van een redoxreac e om chemische energie om te ze en naar elektrische. Er bestaan verschillende types brandstofcellen, op basis van diverse chemische stoffen: waterstof, methanol, carbonaten, oxiden en metaal-lucht. Vergeleken met een tradi onele ba erij moet er bij een brandstofcel een externe energietoevoer zijn van reactanten, wat je niet hebt bij een ba erij. [5] Brandstofcellen zijn misschien wel nu g, maar een toepassing om energie te recupereren is niet mogelijk omwille van de noodzakelijke reagen a. Een variant op de brandstofcel is een flow ba ery (een vloei- of stroomba erij) die wel in staat is om energie te recupereren. Het grootste verschil tussen een brandstofcel en een flow ba ery zit hem in het feit dat de reac e reversibel is. Het verschil tussen een flow ba ery en een ba erij is dat de reagen a een ba erij in een klein gesloten systeem zit, terwijl bij een flow ba ery het medium rondgepompt wordt. In de cellen (zie figuur 2.3) vindt er een redoxreac e plaats waarbij de oxida etrappen variëren (zie appendix A). In het reactorvat zijn de twee elektrolytoplossingen gescheiden door een semi-permeabele membraan waar enkel elektronen doorgelaten kunnen worden. Door de reac e ontstaat er langs één kant een overschot aan elektronen. Die worden via een elektrode afgevoerd, waardoor er een stroom ontstaat. In de cel kan de reac e niet oneindig lang doorgaan. Daarom moet de vloeistof ververst worden, waarvoor er een pomp en een tank aanwezig moeten zijn. Omdat het proces reversibel is, kan de reac e ook omgekeerd gebeuren. De 'ba erij' kan dus ook opnieuw opgeladen kan worden. In tabel 2.1 wordt een klein overzicht gegeven van de bestaande types. [5]

Figuur 2.3: De werking van een flow ba ery [1]

Tabel 2.1: Overzicht van types flow ba eries

Type Vanadium Zinkbromide Polysulfide bromide

Spanning V 1.4-1.6 1.8 1.5

Rendement % 85 75 75

Capaciteit MWh 5 4 120

Schaal MW 3 1 15

6


2.2.5 Ac ve front end In tegenstelling tot andere technologieën slaat AFE de energie niet op, maar injecteert ze die terug in het net. Dat kan omdat de klassieke diodebrug in een drive vervangen wordt door een bidirec onele IGBT-brug. Het nadeel van die techniek is dat het net of de transformator overbelast kan worden bij grotere vermogens, zoals in het geval van een automa sch warenhuis. Het rendement van die technologie ligt rond de 96%, waarbij de verliezen te wijten zijn aan harmonischen en schakelverliezen. [6] Op figuur 2.4(b) wordt een ac eve gelijkrich ng weergegeven die gebruikt wordt bij AFE. Die opstelling laat toe om in 4 kwadranten te kunnen werken. Op figuur 2.4(a) wordt een diodegelijkrich ng weergegeven. Omdat er in een diodegelijkrich ng geen vermogenselektronica aanwezig is, ligt het rendement rond de 98%.

(a) Diodegelijkrich ng

(b) Ac eve gelijkrich ng

Figuur 2.4: Het verschil tussen een diode- en een ac eve gelijkrich ng

2.2.6 Overzicht van de regenera eve technologieën In tabel 2.2 is er een algemeen overzicht weergegeven van de meest significante eigenschappen van de regeneraeve technologieën. [5, 7] In figuur 2.5 wordt een ragoneplot (gebaseerd op [8]) weergegeven van de technieken die gebruikt worden om energie elektrisch op te slaan.

Figuur 2.5: Overzicht van de energiedichtheid van diverse componenten

7


Condensatoren versus ba erijen Condensatoren hebben een kortere reac e jd en worden dus sneller opgeladen in vergelijking met conven onele ba erijen. Ook kunnen condensatoren meer laadcyclussen aan zonder te moeten inboeten aan de efficiën e. Door die snelle reac e jden zijn condensatoren toepasbaar om piekbelas ngen op te vangen. Anderzijds hebben tradi onele ba erijen een grotere energiedichtheid, waardoor ze hun toepassing vinden in energieopslag voor een langere periode. [5] De inten e van supercondensatoren is om de energie-inhoud van de ba erij te combineren met de snelheid van de condensator. De combina e van die eigenschappen zorgt ervoor dat supercondensatoren geschikt zijn voor dynamische energieopslag. Supercondensatoren versus AFE Bij ac eve gelijkrich ng wordt de energie teruggestuurd naar het net. Bij het terugsturen kunnen er problemen optreden inzake power quality. Daarnaast kan men geconfronteerd worden met het feit dat een aanwezige transformator de energiestroom niet aankan, omdat hij daartoe niet gedimensioneerd is. Het grootste voordeel van AFE is het rendement die rond de 96% ligt. Bij een variërende stroomvraag moeten de elektriciteitskabels groot genoeg gedimensioneerd worden om aan de vraag te kunnen voldoen. Bij het gebruik van supercondensatoren kan de kabelsec e kleiner genomen worden, omdat die de piekbelas ng opvangen. Meestal is het beschikbare volume op een wagentje van een magazijnkraan niet zo groot, waardoor de supercondensatoren meestal niet op de wagen geplaatst kunnen worden. Deze vergelijking zal in latere hoofdstukken uitgebreider aan bod komen om te kunnen besluiten wat het efficiëntst is. Daarnaast zal er ook een kostenanalyse uitgevoerd worden omtrent beide technieken. Toekomst De flow ba ery wordt nog volop ontwikkeld en kan dus voorlopig nog niet gebruikt worden in de testopstelling voor een automa sch magazijn. Eens de technologie op punt staat, kan die een revolu e veroorzaken inzake energieopslag1 . Om flow ba eries te kunnen gebruiken, zal er een hybride systeem moeten komen waarbij supercondensatoren hun dienst kunnen bewijzen om de piekbelas ng op te vangen.

2.2.7 Besluit Uit de marktstudie kan besloten worden dat supercondensatoren een goede oplossing kan zijn voor het opvangen van piekbelas ngen, al ondervindt die concurren e van AFE. Andere besproken technieken kunnen toegepast worden in een systeem voor een automa sch warenhuis, maar dan moet er rekening gehouden worden met bepaalde nega eve eigenschappen. Zo hee een vliegwiel een iner e, waardoor de reac esnelheid in het gedrang kan komen, maar neemt het ook een bepaald volume in beslag die soms niet beschikbaar is. Flow ba eries zijn nog onvoldoende ontwikkeld om op grote schaal toe te passen in de industrie. SMES hee dan weer als nadeel dat het een groot volume in beslag neemt en een grote investeringskost met zich mee draagt. Het opslaan van energie in ba erijen hee als nadeel dat de reac esnelheid niet voldoet aan de normen en vroeg jdige slijtagekenmerken vertoont bij piekbelas ngen. En tot slot is de opslagcapaciteit van condensatoren te laag.

1 Deze techniek wordt ontwikkeld in de auto-industrie, maar zal ook kunnen func oneren in een automa sch magazijn http://www. nanoflowcell.com/en

8

η

Energiedichtheid

Capaciteit

Vermogen

%

Wh kg

MWh

MW

65 - 85 90 - 95 97 90 - 98 60 - 98 60 - 70 90 - 98

10-50 10 - 30 / 0.5 - 5 30 - 240 0.05 - 5 2.5 - 15

< 120 0.025 / < 80 < 343 10 ∗10−6 500 ∗10−6

< 100 < 0.1 / < 10 < 100 < 0.05 < 0.3

Type Flow ba ery Vliegwiel AFE SMES Ba erijen Condensator Supercaps $ eenheid: kW Data uit 2011.

Tijdspanne/ reac e jd ms ms - 15 min. / ms - 8 sec. s - uur ms - uur ms - uur

Aantal cyclussen

> 2 000 - 14 000 > 20 000 / > 100 000 500 - 10 000 ± 50 000 > 1 000 000

Zelfontlading

installa e kost

Opera onele kost

%energie dag

$ kW h

$ kW h

<0.2 100 / 10 - 15 0.1 - 0.6 40 20 - 40

180 - 250 300 - 5000 ± 210 * 10 000 300 - 5000 500 - 100 8200

0.06 - 0.2 0.05 - 0.4 / 0.4 - 1.7 0.1 - 1 0.03 - 0.4 0.03 - 0.4


Tabel 2.2: Overzicht van de regenera eve technologieën

9


2.3 Supercondensatoren Supercondensatoren vormen de brug tussen de gewone condensatoren en de ba erijen (zie figuur 2.5). Het verschil tussen een supercap en een gewone condensator zit hem in het feit dat supercaps een veel grotere elektrode-oppervlakte hebben en dat de elektrolyten aangepast zijn [9] (figuur 2.6). Anders gezegd, zijn de fysische eigenschappen (zie formule 2.2) geop maliseerd.

(a) Condensator

(b) Supercap

Figuur 2.6: Vergelijking tussen een condensator en een supercondensator (EDLC)

2.3.1 Taxonomie van supercondensatoren Supercondensatoren kunnen opgedeeld worden in 3 categorieën: de Elektroly sche Dubbellaagscondensator (EDLC), pseudocondensatoren en de hybride condensator. EDLC's werken op dezelfde manier als de klassieke condensator, terwijl pseudocondensatoren gebruik maken van redoxreac es. Een hybride condensator is een combina e van de twee. [9] In dit deel wordt er dieper ingegaan op de verschillende types supercondensatoren. In figuur 2.7 wordt de taxonomie ervan weergegeven.

Figuur 2.7: Taxonomie van supercaps

10


2.3.2 Elektrische dubbellaagscondensator In een EDLC worden er 2 eigenschappen van een condensator verbeterd. Enerzijds wordt het diëlektricum aangepast, zodat de permi viteit verhoogt. Anderzijds worden de elektroden geop maliseerd zodat het contactoppervlak groter wordt (dit kan gestaafd worden aan de hand van formule 2.2 . In wat volgt, worden die elementen naderhand besproken. Aanpassen van het diëlektricum In een klassieke condensator is een isolator aanwezig die de scheiding voorziet van de twee elektroden. Als dat medium dipolen bevat, ontstaat er een tegengesteld elektrisch veld, dat op zijn beurt zorgt dat de capaciteit van de condensator verhoogt2 . Men kan nog een stap verder gaan door gebruik maken van elektrolyten in plaats van dipolen. Door een spanning over de condensator aan te leggen, wordt de ene elektrode posi ef geladen en de ander nega ef. De lading van de elektroden zorgt ervoor dat de ionen in de elektrolytoplossing aangetrokken worden. Eens de condensator opgeladen is (en de ionen dus allemaal aangetrokken zijn door een elektrode), kan er vastgesteld worden dat er een dubbele condensator ontstaat nabij de wanden van de elektroden. In figuur 2.8 wordt het principe van open ontladen van een EDLC weergegeven. [10]

Opmerking: de gele rand vormt het scheidingsoppervlak van de elektroden met de elektrolyten. Figuur 2.8: Principiële werking van een EDLC

De elektroden zi en gedrenkt in een elektrolytoplossing, waardoor er een scheiding moet komen. Die scheiding is noodzakelijk, want ze moet ervoor zorgen dat de elektroden niet met elkaar in contact kunnen komen (figuur 2.9 bovenaan). Indien er geen wand zou zijn, kan er een kortslui ng optreden, waardoor de condensator zijn opslagmogelijkheid verliest. Om elektronentransport toe te laten, bestaat de wand uit een semi-permeabel membraan dat enkel de ionen doorlaat. Onderaan figuur 2.9 wordt het equivalent schema afgebeeld van een EDLC. De elektroden vormen een collector voor de ionen. Het schema bestaat uit een niet-ideale condensator (C1 met R1 en C2 met R2 ) en een overgangsweerstand tussen het elektrodemateriaal en de connector met de geleider (Re1 en Re2 ). Tot slot is er in het midden een separator (Rs ). Die vormt een serieweerstand omdat de ionen een weerstand ondervinden bij de verplaatsing door het membraan. Omdat de deelcondensatoren in serie staan, volgt uit formule 2.5 dat de totale waarde van de capaciteit lager is dan een afzonderlijke en teit. Maar omdat de waarde van de capaciteit zodanig groot is, is die nog al jd groter vergeleken met een elektrosta sche condensator. 2U

=

∫

⃗ ⃗l. Als E ⃗ daalt, daalt U en volgt uit formule 2.1 dat de waarde voor C moet s jgen. Ed

11


Figuur 2.9: Het equivalent schema van een EDLC

De keuze voor een elektrolytoplossing bestaat uit het vinden van een compromis tussen de capaciteit, de equivalente impedan e (Equivalent Series Resistance (ESR)) en de spanning. De opera onele spanning van supercondensatoren is meestal a ankelijk van de stabiliteit van de elektrolyt. Waterige elektrolyten, zoals zuren (bijvoorbeeld H2 SO4 ) en alkaliën (bijvoorbeeld KOH) hebben onder andere het voordeel dat ze goedkoop zijn. Daarnaast hebben ze een hoge ionische geleidbaarheid en een grotere capaciteit in vergelijking met andere, niet-waterige oplossingen. Dat komt omdat het oplosmiddel, water, een hogere diëlektrische constante hee . Anderzijds hebben waterige elektrolyten het nadeel dat ze werken bij een lage spanning (± 1.23V ). Niet-waterige elektrolyten zijn ontwikkeld om te werken op een hogere spanning (> 2.5V ). Aangezien de specifieke energie van supercondensator evenredig is met het kwadraat van de spanning (formule 2.3), zijn de nietwaterige elektrolyten veelvuldig gebruikt in applica es die een hogere energie-inhoud vereisen. Voorbeelden van niet-waterige elektrolyten zijn mengsels van propyleencarbonaat of acetonitril (die opgeloste ammoniumzouten beva en). De elektrolyten hebben als grootste nadeel dat hun elektrische weerstand een hogere waarde hee , waardoor dat zijn weerslag hee op het vermogen. [9--11] Ook de groo e van de ionen speelt een rol. De ionen moeten zich in de poriën van de elektrode wringen. Als de ionen echter te groot zijn, kunnen ze niet diep genoeg indringen. Daardoor verkleint het oppervlaktecontact en zo ook de capaciteit. Een oplossing bestaat erin de structuur van de elektroden aan te passen. Aanpassen van de oppervlakte Een andere manier om de capaciteit te verhogen, bestaat erin het contactoppervlak te vergroten. De elektroden worden vervaardigd door poeders, micro- of nanostructuren van koolstof, waardoor het oppervlak (en de capaciteit) significant toeneemt. [10] De verschillende types worden kort besproken in de volgende paragrafen. Het kan gebeuren dat de poriën niet bereikbaar of verstopt zijn, waardoor de nu ge oppervlakte beperkt wordt. Om dat op te lossen, gaat men de condensatoren ac veren. Het ac va eproces bestaat uit het verhi en en het toepassen van een gasifica e op de elektroden. Een andere manier om de elektroden te ac veren bestaat erin ze te verwarmen en te dehydrateren. [11]

12


Ac eve kool De combina e van een lage prijs en een grote graad van poreusheid, maakt van ac eve kool een van de meest voorkomende elektrodes bij een EDLC. Door de complexe structuur onstaan er poriën van verschillende groo e. Die zorgen voor een goede doorlaatbaarheid van het diëlektricum, maar de capaciteitswaarde is niet evenredig met het oppervlak van de kool. Dat valt te verklaren door het feit dat sommige poriën te klein zijn en de ionen er bijgevolg niet door kunnen. [9] Onderzoekers hebben daarom een gulden middenweg gezocht tussen de groo e van de gaten en de energiedichtheid van de stof in func e van het diëlek cum. Er werd ook rekening gehouden met het feit dat als een ion theore sch door een porie kan, dat niet noodzakelijk wil zeggen dat het ion er in de prak jk ook in zal gaan. In de smalle gaten neemt de mobiliteit van de ionen merkelijk af, wat nega ef is voor de weerstand van het systeem. Dat is van belang bij de reac esnelheid van het systeem. In onderstaand voorbeeld werd een test gedaan met ionen met een groo e van ongeveer 0.5 nm. [12] Poriën groter dan 1.1 nm (vormen 25% van het oppervlak) zijn toegankelijk in minder dan 0.1 s, maar gaten rond de 0.6 nm (die 70% van het oppervlak vertegenwoordigen) kunnen pas bereikt worden na 5 seconden. Om de presta es van ac ef kool te verbeteren, worden ze gemengd met zwarte koolstof of grafiet om een betere energie-inhoud te bekomen3 . Die elementen kunnen tot 40% van het totale volume van de elektrode beva en. De beperking op het toevoegen van de addi even valt te verklaren doordat die de poriën opvullen. Daardoor neemt de mobiliteit van de elektrolyten sterk af. [11] Koolstofvezels Vergeleken met elektroden in poedervorm, bieden vezels de voordelen van een groot oppervlaktegebied, een goede elektrische geleidbaarheid en een goede inslui ng van de elektrode. Bij koolstofvezels ligt het poreus gedeelte hoofdzakelijk aan de oppervlakte. Dat zorgt voor een goede bereikbaarheid van ac eve delen van de vezel. Die eigenschap maakt de vezel aantrekkelijk als elektrodemateriaal, door de hoge graad van adsorp e. Een nadeel is dat de kosten in het algemeen hoger zijn. Een ander nega ef punt is dat de vezels, ondanks de lage elektrische weerstand, een grote contactweerstand hebben met de elektrode. Een oplossing daarvoor kan zijn dat men de vezels voorziet van een metaalcoa ng. [11] Aerogel De op koolstof gebaseerde aerogels bestaan uit een driedimensionaal mesoporeus4 netwerk van nanopar kels. Die worden geproduceerd door een chemische reac e van organische stoffen. Voor die reac e is er een katalysator nodig die tevens de groo e van de poriën bepaalt. De voordelen van aerogels zijn een groot oppervlak en een lage dichtheid. [12] Omdat de stof een lage dichtheid hee , is de inwendige weerstand van het materiaal kleiner, waardoor de verliezen dalen. Daardoor s jgt de vermogensdichtheid en daarbij ook de capaciteit. [9] Nanotubes Nanobuisjes hebben een veel kleinere afme ng vergeleken met bovenstaande types. Door hun unieke vorm zijn de poriën met elkaar verbonden. Daardoor verspreidt de lading zich gemakkelijker over het gehele oppervlak. Dat zorgt er dan weer voor dat het oppervlaktecontact efficiënter gebruikt wordt in vergelijking met ac eve kool. De structuur zorgt er ook voor dat de inwendige weerstand kleiner wordt en dat impliceert een hogere energiedichtheid. [9] Grafeen In plaats van een koolstoflaag op te rollen zoals bij nanobuisjes, kan je een 1-atomige laag uitgestrekt laten liggen, waardoor je een elektrode krijgt op basis van grafeen. Het voordeel van dat type is de grote cyclusstabiliteit en de energiedichtheid. Omdat de techniek nog in de kinderschoenen staat, zijn de waarden van de specifieke capaciteit en de energiedichtheid nog laag (vergeleken met de pseudocondensatoren). [13] Grafeen werd nog niet zo lang geleden ontdekt. Door zijn unieke fysische eigenschappen gebeurt er op dit moment veel onderzoek naar het materiaal van de toekomst. 3 Carbon

blacks hebben een lage dichtheid en een hoge bindingsgraad. een stof met poriën van tussen de 2 en de 50 nm .

4 Een mesoporeus materiaal is

13


Het gebruik van koolstof De elektroden die gebruikt worden in een EDLC zijn allemaal koolstofmaterialen. Koolstof is een interessant element, want het zorgt voor een goede geleidbaarheid (elektrisch alsook thermisch), is goedkoop en bezit een goede oppervlakverdeling en porositeit in de 3 dimensies. [11, 12]

14


2.3.3 Pseudocondensatoren Pseudocondensatoren of redoxcondensatoren maken gebruik van chemische reac es, redoxreac es, om energie te bufferen. Een pseudocondensator hee 2 grote voordelen ten opzichte van een EDLC: zowel de capaciteitswaarde als de energie-inhoud is groter. [9, 11].

Figuur 2.10: Werkingsprincipe van een redoxreac e [1]

Figuur 2.10 toont een redoxreac e5 die eveneens gebruikt wordt bij een klassieke ba erij. Het verschil tussen pseudocondensatoren en ba erijen is moeilijk af te bakenen. Criteria die gebruikt worden, liggen in het gebied van de specifieke energie. Er wordt verondersteld dat een supercap sneller energie uitwisselt, maar tevens een lagere energie-inhoud bezit. [14] Er bestaan 2 soorten pseudocondensatoren: de geleidende polymeren en de metaaloxiden. Geleidende polymeren Electronically Conduc ng Polymers (ECP) hebben een redelijk grote capaciteitswaarde en geleidbaarheid, maar wanneer men dat type condensator wil opladen en er dus een geforceerde redoxreac e optreedt (elektronen toevoegen, n-doteren en elektronen weghalen, p-doteren), ontstaat er een instabiliteit bij de nega ef gedoteerde polymeren. Omdat ze slecht bestand zijn tegen de interne mechanische belas ng (lees: krachtwerking) daalt het rendement van de n-gedoteerde polymeren. Door de verminderde stabiliteit jdens de reac e worden ze vandaag de dag nauwelijks verder ontwikkeld. [9] De meest gebruikte types zijn aminobenzeen, polypyrrolen en derivaten van polythiofeen. [11] Metaaloxiden Metalen hebben een goede geleidbaarheid. Het meest in het oog springend element is ruthenium oxide (RuO2 ). De capaciteit van ruthenium oxide wordt verkregen door een varia e van de protonen in zijn amorfe structuur. In de waterhoudende vorm is de capaciteit groter vergeleken met een EDLC en geleidende polymeren. Bovendien hee een opstelling met RuO2 een lagere inwendige weerstand vergeleken met andere elektrodematerialen. Het grote minpunt aan de techniek is het prijskaartje dat eraan verbonden is. [9] 5 Het werkingsprincipe van een

redoxreac e kan teruggevonden worden in Appendix A.

15


2.3.4 Hybride condensatoren Een hybride condensator combineert de eigenschappen van een EDLC met die van een pseudocondensator om de presta es te verbeteren. Met die combina e wordt de energie-inhoud en de energiedichtheid opgekrikt zonder in te boeten aan stabiliteit, wat wel een probleem is bij een redoxcondensator. Composieten Bij een hybride condensator bestaan de elektroden uit koolsto oudende materialen (zoals bij een EDLC, meestal op basis van nanotubes) met daarin een elektrolyt op basis van geleidende polymeren of metaaloxiden (zoals bij een redoxcondensator). Door die structuur bevat dat type zowel een fysische als chemische lading, waardoor de opslagcapaciteit s jgt. Verschillende experimenten hebben aangetoond dat die combina e in staat is om grotere capaciteit te leveren vergeleken met de 2 aparte en teiten. [9] Asymmetrisch In tegenstelling tot de composieten maken de asymmetrische hybriden gebruik van 2 verschillende types elektroden. Eén elektrode bestaat uit een koolstofmateriaal (volgens het principe van EDLC) en de andere elektrode werkt volgens het principe van een geleidende polymeer (zie sec e 2.3.3). Die elektrode bepaalt de keuze van de elektrolyt. Pseudocondensatoren van het type met geleidende polymeren ondervinden een probleem met de stabiliteit van een nega ef geladen polymeer. In de construc e van die hybride wordt dat omzeild door ervoor te zorgen dat de elektrode met de polymeer posi ef geladen wordt. De elektrode op basis van het EDLC-principe wordt vervolgens nega ef geladen. [9] Ba erijtypes De ba erij-ach gen zijn een buitenbeentje betreffende supercondensatoren. Dat type leunt het meest aan bij ba erijen, waardoor het verschil tussen een supercap en een ba erij heel klein wordt. Net als asymmetrische hybriden, bestaan ba erij-ach ge hybriden uit twee verschillende types elektroden. Het verschil is dan dat de posi eve elektrode bestaat uit een metaaloxide in plaats van een polymeer. Onderzoek hee zich gericht op het gebruik van nikkel-hydroxide, looddioxide en vooral op LTO (Li4 T i5 O12 , beter bekend als de Li-iontechnologie) als elektrodemateriaal voor de posi eve elektrode. Ondanks de veelbelovende resultaten, is er in het algemeen consensus over het feit dat er meer onderzoek nodig zal zijn om het poten eel van de ba erijach ge hybriden te maximaliseren. [9] In figuur 2.11 wordt het open ontlaadprincipe weergegeven. Aan de linkerkant van de figuur wordt de koolstofelektrode (grijze zone) weergegeven, aan de rechterkant zie je de metaaloxide-elektrode en in het midden heb je de elektrolytoplossing (lichtblauw).

16


(a) Opladen

(b) Ontladen

Figuur 2.11: Het op-/ontladen van een hybride condensator van het asymmetrische of het ba erij-ach ge type [2]

2.3.5 Overzicht In tabel 2.3 wordt er een algemeen overzicht gegeven van de belangrijkste eigenschappen van de types supercaps. [9, 11, 13] Tabel 2.3: Overzicht van de supercaps

type

EDLC

Pseudocaps

Hybride

Ac eve kool Koolstofvezel Aerogel Nanotubes Grafeen Metaaloxiden Polymeren Composieten Asymmetrisch Ba erijen

ESR

energie- energieinhoud dichtheid --+ ++ --+ + -++ + +++ ++ +++ +++ +++ +++ ++ ++ +++ +++ +++ +++ +++ +++ + + +: posi ef resultaat - - -: nega ef resultaat

aantal cycli ++ ++ ++ ++ ++ --+++ +++ +++

cyclusstabiliteit ++ ++ ++ ++ +++ ++ --++ + ++

prijs +++ + + + + --++ + + +

17


2.3.6 Besluit Door hun flexibiliteit kunnen supercondensatoren de rollen vervullen waarvoor tradi onele ba erijen en condensatoren minder goed geschikt zijn. Supercondensatoren hebben een groot poten eel voor toepassingen waarbij zowel een hoog vermogen, een korte oplaad jd, een hoge cyclusstabiliteit als een lange houdbaarheid vereist zijn. Vandaag de dag is er een grote belangstelling voor het ontwikkelen van supercondensatoren voor eilandsystemen zoals een elektrisch voertuig, hybride aandrijfsystemen en variërende vermogenstoepassingen. Ook is er belangstelling voor supercondensatoren als back-up en noodvoorzieningen. Ondanks de voordelen van supercondensatoren is de implementa e tot op heden beperkt. De belangrijkste reden daarvoor is het feit dat supercondensatoren werken op een lage spanning (± 2.8V ), waardoor er problemen kunnen ontstaan bij rechtstreekse implementa e. Nie egenstaande werd er reed veel onderzoek gevoerd om de capaciteit van een condensator te verbeteren (figuur 2.12). Zo werden de twee types condensatoren (EDLC en pseudocondensatoren) gecombineerd tot een derde soort, de hybriden, met de beste eigenschappen van de twee oorspronkelijke types. Het doel daarvan was om zowel de levensduur als de energie-inhoud te doen toenemen. Ook de elektrolyten werden geop maliseerd. Die op malisa e helpt om de inwendige weerstand te doen dalen, maar ook om de energiedichtheid te doen toenemen. Tot slot wordt er gewerkt aan zelfontlading, dat typisch is voor elektrochemische systemen vanwege de thermodynamica6 . [9]

Figuur 2.12: Evolu e van condensatoren

6 Een opgeladen ba

erij bezit een hoger energielevel, waardoor de chemische reac es niet volledig gestopt kunnen worden.

18

3

Supercaps: implementa e

In sec e 2.2.6 werd geconcludeerd dat energierecupera e via supercondensatoren op dit moment een goede technologie is om energie dynamisch te stockeren voor een automa sch magazijn. Er ontstaat echter een probleem: de typische spanning van de DC-bus (Ub ) bedraagt al snel 600 V, terwijl de spanning over een supercondensator (USC ) is beperkt (zie sec e 2.3.6). Om supercaps te kunnen integreren in de tussenkring, moeten er bepaalde zaken in rekening gebracht worden. Zo mag de maximale spanning die over een condensator staat, niet overschreden worden, mag de waarde van de stroom niet te groot zijn en moet de energieopslag zo efficiënt mogelijk gebeuren. Omwille van de voorgaande problemen groeit de noodzaak om samen met de supercondensatoren een DC/DC-omvormer te integreren. In dit hoofdstuk worden verschillende construc emogelijkheden van de integra e van condensatorba erijen in de tussenkring kort besproken met hun respec evelijke voor- en nadelen. In figuur 3.1 wordt een basisopstelling zonder omvormers weergegeven waarbij de condensatoren rechtstreeks op de DC-bus zi en.

Figuur 3.1: Het basismodel van de opstelling van een tussenkring

3.1 Topologieën van de tussenkring 3.1.1 DC-omvormer op de DC-bus In figuur 3.2 wordt een opstelling weergegeven met een DC/DC-omvormer op de DC-bus, waarbij de supercondensatoren rechtstreeks op de DC-bus geschakeld zijn. De hoeveelheid energie die opgeslagen kan worden in een supercondensator hangt af van de spanningsvaria e (zie formule 2.4) over een condensatorbank. Voor een op maal gebruik van de supercaps mag de spanning variëren tussen 50% en 100% van de nominale spanning van de supercondensator. Omdat de spanning die over supercondensatoren mag staan, laag is en de caps rechtstreeks op de DC-bus geschaFiguur 3.2: Tussenkring met omvormer op de DC-bus keld zijn, is bijgevolg ook de spanning over de DC-bus laag. Daardoor neemt de reac esnelheid en het accelererend vermogen van het systeem af. Een voordeel van dit systeem is dat er geen complex regelcircuit nodig is. [15, 16]

19

Chapter 3. Supercaps: implementa e

3.1.2 DC-omvormer op het opslagsysteem In plaats van de omvormer op de DC-bus te plaatsen zoals in figuur 3.2, kan men die tussen de DC-bus en de condensatorba erij plaatsen, zoals weergegeven op figuur 3.3. Een voordeel vergeleken met de opstelling in figuur 3.2, is dat de spanning over de DC-bus groter is, waardoor het beschikbare vermogen voor de toepassing niet afneemt. Door het plaatsen van een bidirec onele DC-omvormer bij het opslagsysteem kan de energieopslag in de condensatorba erij gemaximaliseerd worden, omdat het circuit van de caps losgekoppeld is van de bus. Om dat te kunnen maximaliseren, moet er een regelcircuit aanwezig zijn in de DC/DC- Figuur 3.3: Tussenkring met omvormer voor het opslagsysteem omvormer, waardoor de kostprijs hoger is vergeleken met de andere opstelling. [15, 16]

3.1.3 DC-omvormer op de DC-bus en het opslagsysteem Een derde topologie wordt in figuur 3.4 weergegeven. In deze opstelling worden er 2 omvormers gebruikt. Eén omvormer wordt gebruikt voor de controle van de spanning over de DC-bus en één voor de controle van de spanning over de condensatorbank. Het voordeel van dat systeem is dat je de volledige controle hebt over de energieflow in de DC-kring, waardoor de vermogenstroom geop maliseerd kan worden. Een nadeel van het systeem is dat je 2 omvormers nodig hebt, waardoor het rendement van het systeem iets lager ligt. [16] Figuur 3.4: Tussenkring met omvormer op de DC-bus en het opslagsysteem

3.2 Onderzoek van de energieopslag In een TETRA-project aan de VUB werd het brandstofverbruik van een hybridewagen onder de loep genomen. Om het verbruik te minimaliseren, werd de DC-tussenkring aangepast met de verschillende opstellingen zoals beschreven in sec e 3.1, met dat verschil dat de energietoevoer niet het net is, maar wel een benzinemotor. Dat onderzoek toonde aan dat de opstelling met 1 DC-omvormer tussen de DC-bus en de condensatorbank (sec e 3.1.2) het efficiëntst was. Tabel 3.1 gee het brandstofverbruik weer na een test van de verschillende opstellingen. [16] Tabel 3.1: Het primair verbruik bij de verschillende opstellingen

Type opstelling 1 omvormer op de DC-bus 1 omvormer voor het opslagsysteem 2 omvormers

verbruik kg 100km

0.92 0.76 0.96

20


Uit tabel 3.1 kan er vastgesteld worden dat het systeem met 2 omvormers (analoog aan figuuur 3.4) het meeste energie verbruikt, of, met andere woorden, het minste energie kan recupereren. Dat valt te verklaren doordat er 2 omvormers aanwezig zijn die elk een rendement hebben van < 100%. Daardoor zijn de verliezen groter zijn vergeleken met een systeem met maar 1 omvormer. De systemen waar er 1 omvormer is scoren beter, maar de energiewinst bij de topologie met 1 omvormer op de DC-bus is niet groot (naar analogie met figuur 3.2). Dat hee 2 redenen. Een eerste reden is dat de spanning over de DC-bus laag is, waardoor het beschikbaar vermogen in de DC-bus lager is. Een tweede reden, is dat de energie die opgeslagen kan worden, beperkt is. De voorkeur gaat uit naar een systeem waarbij er 1 omvormer gebruikt wordt tussen de DC-bus en de condensatorbank (analoog aan figuur 3.3). Het grootste voordeel is dat de condensatorba erij gescheiden wordt van de DC-bus, waardoor de energieopslag gemaximaliseerd kan worden.

3.3 Invloed van een DC/DC-omvormer Omwille van de lage spanning die over een supercondensator mag staan en de maximalisa e van de energieopslag, is het noodzakelijk om een DC/DC-omvormer te integreren. Uit sec e 3.2 kan vastgesteld worden dat een opstelling zoals weergegeven in figuur 3.5 (rechts) het beste resultaat oplevert. Die opstelling wordt nu vergeleken met de basisopstelling (zonder omvormer tussen de caps en de DC-bus) zoals weergegeven in figuur 3.5 (links), om de invloed van de DC/DC-omvormer te analyseren.

Figuur 3.5: Vergelijking van de invloed van een DC-convertor

Bij figuur 3.6 en 3.7 wordt er een stapbelas ng aangelegd, waardoor de energiestromen te volgen zijn bij het aanleggen van een belas ng. Op figuur 3.6 wordt het spanningsverloop weergegeven in de condensatorkring (Usc ) alsook het verloop van de spanning over de DC-bus (Ub ). Op figuur 3.7 worden de stromen met elkaar vergeleken. Iload is de stroom die naar de belas ng gaat. Dat is de som van de stroom a oms g van de supercondensatoren (Isc ) en de bronstroom Ib . De situa e wordt weergegeven voor de opstelling, zowel met als zonder omvormer. [17]

21


Figuur 3.6: De invloed van de spanning op een DC/DC-omvormer

Figuur 3.7: De invloed van de stroom een DC/DC-omvormer

De invloed van de spanning bij een DC/DC-omvormer In figuur 3.6 kan er vastgesteld worden dat de spanning over de DC-bus met een DC-omvormer hoger ligt vergeleken met de spanning zonder de omvormer. Dat komt doordat de energiekring van de supercondensatoren gescheiden is van de energiestroom in de DC-bus. Het verschil in spanning is een paar procent, maar de opstelling met omvormer zorgt er wel voor de spanning op de bus constanter blij . Daardoor blij er meer vermogen ter beschikking voor de last. Om het energieniveau in de DC-bus te kunnen handhaven, wordt er bij belas ng energie on rokken uit de condensatorkring. De spanning Usc daalt, wat betekent dat de supercaps ontladen. [17]

De invloed van de stroom bij een DC/DC-omvormer Het is opvallend dat, in het systeem met een omvormer en wanneer er een stapbelas ng wordt aangelegd (zie figuur 3.7), de supercondensatoren een grotere stroom (i.e. van langere duur) leveren in vergelijking met het systeem waarbij er geen omvormer is. Doordat de vraag ongeveer constant blij , moet de bron minder energie in het systeem injecteren. Daardoor neemt het verbruik van de bron met ongeveer 20% af. [17]

22


3.4 Prak sche problemen Vandaag de dag is de omvormer de bo leneck, omdat die commercieel nog niet beschikbaar zijn. De systemen die nu gebruikt worden voor onderzoek, zijn op de universiteiten ontwikkeld. De weinige omvormers die beschikbaar zijn, worden op maat gemaakt. De energiebuffers die op de markt zijn, zijn condensatoren die een hoog voltage aankunnen. Uit de marktstudie kan er afgeleid worden dat het geen supercondensatoren zijn, omdat die werken op een laag voltage. Omwille van die reden kan er ook geconcludeerd worden dat de opslaghoeveelheden niet groot zijn (zie tabel 3.2 [18--21]).

Tabel 3.2: Overzicht beschikbare energiebuffers op de markt

Moog Koch Fanuc SEW

Opslaghoeveelheid (Ws) 1 600 - 10 000 1 200 - 1 600 700 - 1 700 1 000 - 10 000

3.5 Besluit De motor die aangestuurd wordt, mag zijn dynamiek niet verliezen. Daarom hee de controle van de spanning over de DC-bus een grotere prioriteit vergeleken met de spanning over de supercondensatoren. Om die reden kan men gebruik maken van een DC-convertor tussen de DC-bus en de opslagunit (zie figuur 3.3). Als de motor vervolgens accelereert en dus energie uit de tussenkring on rekt, daalt de spanning over de tussenkring minder snel omdat de condensatorkring energie injecteert. Daardoor blij het beschikbaar vermogen voor de belas ng constanter. Om de remenergie zo efficiënt mogelijk op te slaan, kan men het best gebruik maken van dezelfde opstelling en wordt er aangeraden de spanning over de condensatorkring te laten variëren tussen 100% en 50% van de nominale spanning van de condensator1 . Indien het spanningsbereik groter zou zijn, moet de DC-DC omvormer werken met een grotere spanningsra o, waardoor de construc e een nega eve invloed op de kostprijs uitoefent. [15--17] Voor een verhoging van de levensduur van de condensatorbank kan een parallelschakeling van supercondensatoren en ba erijen gebruikt worden. Daarbij vangen de condensatoren de piekbelas ng op en de ba erijen de rest2 . [17]

1 Dat komt neer 2 Die

op 75% van de totale capaciteit in een condensator. piste wordt niet onderzocht en valt daarom buiten het bestek van de masterproef.

23

4

Theore sch model

In het theore sch model wordt er ten eerste een analyse gemaakt om te kijken hoeveel energie er bespaard kan worden met een energiebuffer van supercaps vergeleken met het verbranden van de remenergie. Ten tweede wordt er gekeken of supercondensatoren al dan niet beter zijn dan AFE. In het model worden drie simula es uitgevoerd, namelijk: waarbij de remenergie opgesoupeerd wordt door een remweerstand, een simula e uitgevoerd om het gedrag van een condensatorbank na te gaan en tot slot wordt het simula emodel doorlopen, waarbij de energie teruggestuurd wordt naar het net (met AFE).

4.1 Bespreking simula emodel Om het energierecupera esysteem te testen en in een later stadium een dimensionering uit te voeren, wordt er gewerkt met in het worstcase scenario. Daarbij wordt er een valbeweging (in ver cale rich ng) gesimuleerd, vertrekkende van de maximale hoogte en het maximum toelaatbare gewicht dat een kraan in een bepaalde opstelling kan dragen1 . Er wordt gestart met het opstellen van een simula emodel van een magazijnkraan (schema sche voorstelling, zie figuur 4.1). In het kraanmodel wordt het gedrag van de kraan gesimuleerd aan de hand van een snelheidstraject 1 en ⃝). 2 In het systeem zijn er 2 significante motoren aanwezig. Een voor de horizontale en een voor de ver cale (⃝ beweging van de kraan2 . Daarnaast worden de verliezen zoals wrijving en overbrengingen in rekening gebracht 4 en ⃝). 5 Nadat alles in rekening werd gebracht, blij er een bepaald motorvermogen over waarbij per beweging (⃝ er energie gegenereerd wordt bij een valbeweging of bij het remmen in een horizontale beweging. In het andere 6 De rest van het simula emodel (⃝ 7 tot en met 10 geval wordt er vermogen gevraagd (⃝). ⃝) bevat het elektrisch gedeelte. Dat wordt verder besproken met behulp van figuur 4.2.

Figuur 4.1: Schema sche voorstelling simula emodel

1 In

dat geval is de vrijgave van poten ële energie het grootst. z-beweging waarbij er een pallet uit het magazijn gehaald wordt, werd niet in rekening gebracht.

2 De

24

Chapter 4. Theore sch model: simula emodel

Het totale gevraagde vermogen3 voor een beweging (AC), wordt door een ac eve wisselrichter geleverd vanuit de DC-bus, wat in het groen weergegeven wordt in figuur 4.2. In die figuur zijn er 2 groene func eblokken: de ene is voor de horizontale en de andere is voor de ver cale beweging. Het totaal gevraagd vermogen in de DC-bus wordt voor de x- en y-beweging opgeteld. Dat vermogen wordt geleverd door een ac eve gelijkrichter (oranje in figuur 4.2) die een connec e hee met het net. Op de DC-bus is er ook een regenera eve unit aanwezig (in het blauw op figuur 4.2). In appendix B wordt de code van het simulinkblok 'regenera eve unit' weergegeven. In het blok wordt een systeem uitgewerkt waarbij de 3 systemen (AFE, supercaps en remweerstanden) vervat zi en. In het geval van AFE wordt het ingaande vermogen doorgelust naar het uitgaande vermogen, omdat er bij die techniek energie teruggestuurd wordt naar het net en er dus geen recupera e is. Indien er gekozen wordt voor supercaps, wordt de energie die vrijkomt in de buffer opgeslagen. Als er vermogen gevraagd wordt door de motoren, wordt de energie eerst uit de buffer gehaald. Als de buffer leeg is, wordt de benodigde energie aangevuld vanuit het net. Tot slot is er een systeem waarbij er gewerkt wordt met remweerstanden. Als er energie vrijkomt, wordt die door de remweerstanden verbrand. Bij het leveren van energie naar de motoren wordt er energie gebruikt vanuit het net.

OPMERKING:1) in het model wordt verondersteld dat er geen energie in de DC-bus gestockeerd wordt. Met andere woorden, de DC-spanning blij constant. In de prak jk is dat echter niet het geval. 2) In dit hoofdstuk zijn er verschillende grafieken opgenomen. Voor de duidelijkheid van die grafieken werden de schalen aangepast.

3 De

redenering kan analoog gemaakt worden voor in het geval dat er energie vrij komt door een valbeweging.

25


26

In geval van een zwart-witweergave: Groen: links op figuur Blauw: midden op figuur Oranje: rechts op figuur Figuur 4.2: Overzicht van het elektrische gedeelte van het simula emodel


4.2 Simula e van een traject: ver cale beweging Het simula emodel wordt besproken aan de hand van een snelheidstraject. Als traject wordt er gekozen voor een ver cale beweging naar beneden met een hoogteverschil van 10.08 m en een massa van 3450 kg4 . Daarna volgt een s jgende beweging met dezelfde parameters. In figuur 4.3 wordt het snelheidsprofiel van de magazijnkraan weergegeven.

Figuur 4.3: Snelheidsprofiel van de motoren

In figuur 4.4 wordt het energieprofiel van de motor voor de ver cale beweging weergegeven. Bij de dalende beweging komt er 211 kJ vrij in de DC-bus. Voor de s jgende beweging is er 550 kJ nodig5 . De reden van dat verschil kan simpel verklaard worden door het feit dat er verliezen zijn in het systeem. Bij het dalen van de last komt er energie vrij. Een deel van die energie gaat verloren en de rest gaat naar de DC-bus. Omgekeerd, bij het s jgen van een last, heb je een bepaalde energiehoeveelheid nodig. Maar omdat er verliezen in het systeem zijn, moet er extra energie uit de DC-bus on rokken worden om die verliezen te compenseren. Omdat er geen horizontale beweging uitgevoerd wordt, wordt het energieprofiel van de horizontale motor niet weergegeven.

Figuur 4.4: Energieprofiel van de ver cale beweging 4 Dit

is gebaseerd op een opstelling geplaatst door Egemin. de DC-bus.

5 Energiewaarde in

27


Verklaring van de energiewaarden In deze paragraaf worden de energiewaarden berekend van de energie die vrijkomt of nodig is in de DC-bus door het uitvoeren van het gekozen traject aan de hand van de gegevens uit figuur 4.4. Gegevens • Hoogte: 10.08 m • Gewicht: 3450 kg • Vrijgekomen energie bij het dalen: 211 kJ • Benodigde energie bij het s jgen: 550 kJ Energiebalans De poten ële energie die vrijkomt of nodig is: Epot = m · g · h = 3450 · 9.81 · 10.08 = 341kJ Het rendement van het systeem: η=

EDC 211 = = 62% EIn 341

η=

EOut 341 = = 62% EDC 550

Uit de berekening blijkt dat het systeem een rendement hee van 62%. Met andere woorden, er gaat ongeveer 38 % van de poten ële energie verloren door verliezen in het systeem. Die verliezen zijn: • Verliezen in de mechanica (overbrenging, motor, wrijving) • Verliezen in de elektronica (ac eve gelijkrichter) • Luchtweerstand • Iner e van het systeem • Type bewegingsprofiel

28


4.2.1 Remweerstanden Bij een vallende beweging wordt de energie die vrijkomt, verbrand door een remweerstand. Voor die simula e wordt er 211 kJ gedissipeerd door de remweerstand (zie figuur 4.5). Omdat de energie niet gerecupereerd wordt, is het triviaal dat de energie die naar het net gaat nihil is (zie figuur 4.6). Bij een s jgende beweging wordt er 562 kJ6 van het net on rokken (zie figuur 4.6).

Figuur 4.5: Energiedissipa e van de remweerstand

Figuur 4.6: Energieprofiel van het net

6 Er

wordt gerekend met een rendement van 98% voor de gelijkrichter, zie figuur 4.2.

29


4.2.2 Condensatorbank In het simula emodel wordt er nu gewerkt met een condensatorbank. De energie die vrijkomt door een valbeweging van de kraan (211 kJ, zie figuur 4.7), wordt in de condensatorbank opgeslagen. De energie die beschikbaar is in de DC-bus, is niet de energie die opgeslagen wordt in de condensatoren. Er wordt namelijk een DC/DComvormer gebruikt die geplaatst wordt tussen de DC-bus en de condensatorba erij (zie sec e 3). Omdat er een omvormer tussen de DC-bus en de condensatorbank is, treden er omze ngsverliezen op. Het rendement van zo een omvormer is moeilijk te achterhalen, omdat dit type omvormer op maat gemaakt wordt (zie sec e 3.4). Een richtwaarde voor de efficiën e van een DC/DC-omvormer ligt rond de 95%7 . Bij een s jgende beweging is er 550 kJ8 nodig. Om die energie te kunnen leveren, wordt er eerst energie on rokken vanuit de condensatorbank (zie figuur 4.7). Eens de buffer uitgeput is, wordt er energie (346 kJ9 ) toegevoerd van het net (zie figuur 4.8).

Figuur 4.7: Energie die naar de condensatorbank gaat


7 Het rendement van

de DC/DC-omvormer werd niet opgenomen in het simula emodel. de DC-bus. 9 Er is 550 kJ nodig. Daarvan wordt er 211 kJ geleverd door de buffer. Er blij nog 339 kJ over. Dat wordt geleverd vanuit het net. Rekening houdende met een rendement van 98% van de omvormer, is er dus nog 346 kJ nodig. 8 Energiewaarde in

30


4.2.3 AFE Bij AFE wordt de energie die vrijkomt door het dalen van de last teruggestuurd naar het net. Voor dit model betekent dat een injec e 202 kJ10 (zie figuur 4.9). Omgekeerd zal bij het s jgen van de last 573 kJ11 nodig zijn van het net.


4.2.4 Efficiën eberekeningen In deze paragraaf zal er bekeken worden welke technologie, AFE of een energiebuffer, het efficiënst is aan de hand van het traject dat gebruikt werd in dit hoofdstuk.

Energiebuffer In het model werd er geen rekening gehouden met het rendement van de DC/DC-omvormer. Laten we nu veronderstellen dat het rendement 95% bedraagt [16]. De energie die gebufferd wordt, wordt dan: Energiebuf f er = 211 · 0.95 = 200kJ Als die energie vervolgens uit de buffer gehaald wordt, is de energie die beschikbaar wordt in de DC-bus voor de last gelijk aan: Energiebeschikbaar = 200 · 0.95 = 190kJ Het ne overbruik van de installa e wordt dan: Energieverbruik =

550 − 190 = 367kJ 0.98

AFE Het ne overbruik van de installa e met AFE bedraagt: Energieverbruik = 573 − 202 = 371kJ Uit de berekening kan geconcludeerd worden dat het gebruik van een energiebuffer ongeveer 1% efficiënter is vergeleken met het terugsturen van de energie naar het net. 10 In

de DC-bus komt er 211 kJ vrij. Als men het rendement van de omvormer (96%) in rekening brengt, betekent dat er 202 kJ terug geïnjecteerd wordt. 11 In de DC-bus is er 550 kJ nodig. Als men het rendement van de omvormer (96%) in rekening brengt, betekent dat dat er 573 kJ nodig is.

31


4.3 Simula e van een traject: horizontale beweging In de voorgaande sec e werd de invloed nagegaan van een ver cale beweging op de energiestromen. In dit deel wordt er nagegaan wat de effecten zijn bij een horizontale beweging. Bij het horizontaal bewegen van de magazijnkraan, is er energie nodig om de kraan te versnellen en op snelheid te houden. Indien er gekozen wordt voor een opstelling met AFE, moet er rekening gehouden worden met de efficiën e van de omvormer die 96% bedraagt. Een opstelling met supercondensatoren gebruikt een ander type gelijkrichter waardoor de efficiën e s jgt tot 98%. Bij het afremmen van de kraan kan de remenergie gerecupereerd worden. Als traject wordt er gekozen voor een horizontale beweging van 30 m. Het snelheidsprofiel wordt weergegeven in figuur 4.10.

Figuur 4.10: Snelheidsprofiel voor een horizontale beweging

Via het simula emodel kan er uit het snelheidsprofiel een energieprofiel opgesteld worden, zoals weergegeven op figuur 4.11. Er kan vastgesteld worden dat de energie die nodig is om te versnellen kwadra sch toeneemt. Eens de kraan op snelheid is, moeten enkel de verliezen gecompenseerd worden. Bij het afremmen van de kraan wordt de kine sche energie terug omgezet in elektrische energie.

Figuur 4.11: Energieprofiel voor een horizontale beweging

32


4.3.1 Remweerstanden In figuur 4.12 wordt het energieprofiel weergegeven van het net indien er geen recupera e is. De energie die nodig is er voor de versnelling en het constant houden van de snelheid bedraagt 74.8 kJ in de DC-bus (of 76.4 kJ vanuit het net12 ). Dit wordt weergegeven in figuur 4.12.


4.3.2 Condensatorbank In dit stuk wordt het simula emodel uitgevoerd waarbij er gekozen werd voor een opstelling met supercondensatoren. In figuur 4.13 kan er vastgesteld worden dat er enkel energie gebufferd wordt bij het afremmen. In totaal is er 32.3 kJ beschikbaar in de DC-bus. Omwille van rendementsverlies van de DC/DC-omvormer wordt er 30.7 kJ opgeslagen13 .

Figuur 4.13: Energieprofiel van de condensatorbank

12 Bij

remweerstanden wordt er gebruik gemaakt van een diodegelijkrich ng. De efficiën e van de omvormer bedraagt 98%. DC/DC-omvormer 95% is.

13 Uitgaande dat het rendement van de

33


4.3.3 AFE De resulterende energiewaarde voor de simula e met AFE kan teruggevonden worden op figuur 4.14. Er kan vastgesteld worden dat de magazijnkraan 78 kJ nodig hee om te versnellen en daarna zijn snelheid constant te houden. Bij het afremmen komt er energie vrij. De ne oconsump e van energie bedraagt 46.9 kJ.

Figuur 4.14: Energieprofiel van het net bij AFE

4.3.4 Efficiën eberekeningen Aan de hand van bovenstaande gegevens wordt er berekend welke techniek, AFE of energiebuffering, het efficiëntst is.

Condensatorbank Om de beweging uit te voeren is er 74.8 kJ nodig uit de DC-bus. Bij het remmen komt er 32.3 kJ vrij in de DCbus. Die energie wordt eerst in de energiebuffer geïnjecteerd om het daarna te kunnen gebruiken in de volgende cyclus. Omwille van rendementsverlies van de DC/DC-omvormer is niet alle energie beschikbaar voor de volgende cyclus. De hoeveelheid beschikbare energie in de DC-bus met inbegrip van het rendementsverlies is gelijk aan: Energiebeschikbaar = 32.2 · 0.95 · 0.95 = 29.1 kJ Het ne overbruik van de installa e wordt dan: Energieverbruik =

74.8 − 29.1 = 46.6 kJ 0.98

AFE Uit sec e 4.3.3 kon er afgeleid worden dat het ne overbruik bij een opstelling met AFE gelijk is aan 46.9 kJ.

Net zoals bij de ver cale beweging kan er bij de horizontale beweging vastgesteld worden dat een energiebuffer gebaseerd op supercondensatoren ongeveer 1% efficiënter is.

34


4.4 Conclusie Als er een remweerstand op het systeem wordt toegepast, wordt het energieoverschot dat in de DC-bus terechtkomt gedissipeerd door een weerstand. Als die remweerstand vervangen wordt door een condensatorbank, wordt die energie gestockeerd in supercondensatoren om het in een later stadium terug vrij te geven als de ne oenergievraag van de motoren posi ef is. Bij AFE wordt het energieoverschot in de DC-bus naar het net gestuurd. Tot slot kan er geconcludeerd worden dat de energieopslag met behulp van supercondensatoren efficiënter is vergeleken met het terugsturen van die energie naar het net. Dat valt te verklaren door het feit dat het rendementsverlies van de DC/DC-omvormer opgevangen wordt door het rendement van een bidirec onele omvormer (AFE) die lager ligt in vergelijking met een diodegelijkrichter (supercondensatoren). Omdat ervan uitgegaan wordt dat de opgeslagen energie in de buffer in de volgende cyclus terug gebruikt wordt, wordt het effect van zelfontlading verwaarloosd.

35

5

Valida e van het model

Het theore sch model dat opgesteld werd in hoofdstuk 4, wordt aan de hand van een testmodel gevalideerd. Hierbij wordt er een snelheidsprofiel en een lastkoppel gekozen zodat er een uniforme me ng kan gebeuren. Die resultaten worden vergeleken met elkaar om zo de afwijking van het simula emodel met de realiteit te kunnen bepalen. Voor de valida e wordt er enkel geopteerd om de ver cale valbeweging te analyseren. Omwille van gelijkaardige conclusies in hoofdstuk 4, kan de redenering doorgetrokken worden voor de x-beweging.

5.1 Het concept: energievrijgave Om een massa (lees: de last van de kraan) op een posi e te houden, wordt er een houdkoppel gevraagd aan de 1 figuur 5.1). Om de massa te te laten zakken, wordt het koppel dat de motor levert, verminderd motor (zie ⃝ 2 Omdat het tegenwerkend koppel van de motor kleiner is dan het houdkoppel, komt de last in beweging. De ⃝. versnelling kan bepaald worden volgens volgende formule: ∆T = α · J

(5.1)

met ∆T het verschil tussen het houdkoppel en het motorkoppel, α de versnelling en J de iner e van het systeem. 3 wordt het koppel dat de motor levert terug gelijk aan Als de dalende last zijn maximale snelheid hee bereikt ⃝, het houdkoppel. Daardoor stopt de last met versnellen (volgens vergelijking 5.1: ∆T = 0 ⇒ α = 0). Als de 4 Dat gebeurt door een koppel te genereren dat eindposi e van de last dichterbij komt, moet de last vertragen ⃝. groter is dan het houdkoppel. Met behulp van formule 5.1 kan bepaald worden dat de versnelling verschillend is van 0. Omdat het koppel groter is dan het houdkoppel, zal de massa een kracht naar boven ondervinden.

Figuur 5.1: Koppel en snelheidsverloop bij een gecontroleerde vallende beweging

Tijdens het dalen van de last beweegt de massa met een bepaalde snelheid. Omdat die massa verbonden is met de motor, zal de motor dus draaien aan een equivalente hoeksnelheid. Volgende formule kan in rekening worden gebracht: P =ω·T

36

Chapter 5. Valida e van het model

waarbij ω nega ef en T posi ef is. Hieruit volgt dat de motor een nega ef vermogen levert. Met andere woorden is de motor in regenera emodus. De kwadrantenwerking wordt weergegeven in figuur 5.2. Voor deze toepassing wordt er gewerkt in kwadrant 2 en 4.

Figuur 5.2: 4 kwadrantenwerking van een motor [3]

5.2 Definiëren van het traject Uit sec e 5.1 kan er geconcludeerd worden dat er 2 zaken belangrijk zijn om energie te kunnen recupereren, namelijk koppel en snelheid. Om het simula emodel te kunnen vergelijken met een prak sche opstelling, worden er 4 punten geanalyseerd. Die meetpunten zijn een combina e van 2 toerentallen (500 en 1000 rpm) en 2 koppels (52.5 en 70 Nm). In wat volgt, wordt enkel het meetpunt van 1000 rpm / 70 Nm geanalyseerd. Voor de conclusie wordt er opnieuw gewerkt met alle gegevens. Het snelheidsprofiel wordt weergegeven in figuur 5.3.

Figuur 5.3: Snelheidsprofiel van de gekozen beweging

37


5.3 Prak sche me ngen 5.3.1 Meetopstelling Voor het uitvoeren van de me ngen worden er 2 motoren aan elkaar gekoppeld (zie figuur 5.4). Hierbij levert de ene motor het houdkoppel (in dit voorbeeld 70 Nm) en de andere motor wordt in snelheid gestuurd. Het gekozen traject dat in Matlab gedefinieerd werd (figuur 5.3), wordt via een DSpace-module vertaald naar stroomwaarden voor de motor. Het vermogen dat de motor verbruikt, wordt op 3 verschillende plaatsen gemeten met de Yokogawa WT 1600. De drie posi es waar er gemeten wordt, zijn: het vermogen on rokken aan het net (voor de drive), het vermogen in de DC-bus en het vermogen (na de drive) dat naar de motor zelf gaat.

Figuur 5.4: Meetschema

38


5.3.2 Meetgegevens In figuur 5.5 worden de diverse vermogensme ngen weergegeven voor het snelheidsprofiel dat met een gele s ppelijn wordt weergegeven. Er kan vastgesteld worden dat het vermogen aan de motorzijde het grootst is bij recupera e, wat normaal is aangezien er bij de andere me ngen telkens een omvormer tussen zit.

Figuur 5.5: Meetresultaten van de testbank

Uit figuur 5.5 kunnen de omvormerrendementen berekend worden. Die resultaten worden weergegeven in tabel 5.1. Tabel 5.1: Rendementen van de omvormers en de motor

snelheid RPM 500 1000 500 1000

Gemiddeld rendement bij constant toerental koppel η AC/DC (motor) η DC/AC (net) Nm % % 75 92.1 90.7 75 94.6 95 52.5 90 89.2 52.5 93 94.4

η motor % 79 88.4 80.4 88.3

Uit tabel 5.1 kan er vastgesteld worden dat het rendement van de omvormers varieert. Als die waarden vergeleken worden met de ini eel ingestelde waarden uit hoofdstuk 4 (96%), blijkt dat de rendementen onder die maximale waarde blijven. Uit die resultaten kan er geconcludeerd worden dat het rendement van de omvormer a ankelijk is van de belas ng.

39


5.4 Vergelijking met het theore sch model Rekening houdend met met de deellastrendementen van de omvormers die berekend werden in sec e 5.3.2, wordt het model met die specifieke rendementen aangepast om het theore sch model te kunnen staven.

5.4.1 Meetgegevens In figuur 5.6 wordt de vergelijking gemaakt tussen het simula emodel en de testopstelling. Hierbij wordt het vermogen in func e van de jd weergegeven in de DC-bus van het traject gedefinieerd in sec e 5.2.

Figuur 5.6: Vergelijking van het simula emodel met prak sche me ngen

Uit figuur 5.6 kan er afgeleid worden dat er weinig afwijking is van het vermogen zodra de snelheid constant is. De grootste afwijking zit in het begin, omdat het model geen rekening houdt met het eigenverbruik van de omvormers. Omdat er een offset ontstaat in het begin en de motor na 10 seconden op zijn maximale snelheid moet zijn, krijg je bijgevolg ook een afwijking bij het versnellen en het vertragen van de motor. Die afwijkingen worden weergegeven in tabel 5.2. Tabel 5.2: Procentuele afwijking tussen het simula emodel en de testbank

snelheid RPM 500 1000 500 1000

koppel Nm 75 75 52.5 52.5

Afwijking (%) Energiewaarde Vermogen bij constante snelheid % % 5.2 0.7 4.8 1 4.8 0.5 3.4 0.4

Uit tabel 5.2 valt er af te leiden dat de afwijking van het vermogen, wanneer de motor op snelheid is, kleiner is dan 1%. Omwille van het eigenverbruik van de omvormers, dat niet in rekening wordt gebracht, schommelt de afwijking op de totale energe sche waarde rond de 5%1 .

1 Die

waarde s jgt als het gegenereerd vermogen daalt.

40


5.5 Besluit Uit dit hoofdstuk kan er besloten worden dat omvormers werken met een efficiën e die a ankelijk is van de belas ng. Omdat in deellast de maximale efficiën e niet behaald wordt, kan er besloten worden dat de efficiën e van een energiebuffer met supercaps ten opzichte van AFE in het algemeen groter wordt dan 1% (zie sec e 4.2.4). Voor de vergelijking van het simula emodel met de testme ng vormt dit geen probleem omdat de rendementen instelbaar zijn. Een oplossing voor dit euvel is het maken van isorendementscontouren van de omvormers. Daarnaast werd het simula emodel gevalideerd met een testopstelling. Uit die analyse blijkt dat het model geen rekening houdt met het eigenverbruik van de drives. Daardoor ontstaat er een kleine afwijking. De afwijking is het grootst bij het s lstaan van de motor, en verkleint tot een minimum zodra de motor op constante snelheid draait.

41

6

Dimensionering

Aan de hand van de data uit het simula emodel (voor dit voorbeeld wordt het model genomen uit hoofdstuk 4) kan er een dimensioneringsoefening uitgevoerd worden. Daar wordt een economische studie aan gekoppeld. In sec e 4.2.4 kon er geconcludeerd worden dat een energiebuffer iets efficiënter is vergeleken met AFE. Omdat het verschil klein is, wordt er voor het economisch model aangenomen dat het verbruik gelijk is.

6.1 Het economisch model In appendix C kan de code teruggevonden worden met de berekeningen voor het plo en van de grafiek van de terugverdien jd zoals weergegeven op figuur 6.1. Voor die economische studie wordt er gewerkt met de maximale energiewaarde uit de simula e van het model. Om alle kosten in rekening te kunnen brengen wordt alles omgezet van J naar kWh.

6.1.1 Condensatorbank Er wordt verondersteld dat de omvormer een levensduur hee van 20 jaar. Volgens diverse datasheets die terug te vinden zijn op het internet [22] kan een supercondensator 1 miljoen cyclussen aan. Uitgaande van 125 cyclussen per uur (± 30 seconden per cyclus), het aantal werkuren per dag en het aantal werkdagen in een jaar, kan de levensduur van een supercap berekend worden. De kosten die verbonden zijn met een energiebuffer gebaseerd op supercondensatoren worden weergegeven met een blauwe lijn in figuur 6.1. Die data werd verkregen door een onderzoek van Bluways [23].

6.1.2 AFE Ook hier wordt er van uitgegaan dat de omvormer een levensduur hee van 20 jaar. In tegenstelling tot een condensatorbank is de omvormer hier de enigste kost [24] (zie groene lijn in figuur 6.1).

6.1.3 Terugverdien jd De energiebesparing die gerealiseerd kan worden, is de totale hoeveelheid aan energie die niet verbrand wordt door een remweerstand, weergegeven met een rode lijn in figuur 6.1. OPMERKING:bij dit simula emodel wordt verondersteld dat er al jd op maximum belas ng gewerkt wordt. In de realiteit is dat niet zo, maar wegens een gebrek aan beze ngsfactoren van een magazijn, kan die factor niet in rekening gebracht worden. Uit figuur 6.1 kan er vastgesteld worden dat AFE goedkoper is dan een opstelling met supercondensatoren. Nie egenstaande de hogere prijs, bedraagt de terugverdien jd van een installa e met supercondensatoren ongeveer 3 jaar. Na ongeveer 4.5 jaar dienen de condensatoren vervangen te worden. Dat brengt een nieuwe kost met zich mee, maar het weegt niet op met de energiebesparing ten opzichte van een remweerstand die gerealiseerd wordt.

42

Chapter 6. Dimensionering

In geval van zwart-witweergave: Rode lijn: lijn met bolletjes Blauwe lijn: sterretjeslijn Groene lijn: effen lijn Figuur 6.1: Terugverdien jd van supercondensatoren

6.2 Dimensioneren van supercaps In dit simula emodel wordt er data gegenereerd van de energie in func e van de jd die beschikbaar is voor de energiebuffer (figuur 6.2, is een herhaling van figuur 4.7). Aan de hand van dat verloop kan er een dimensionering uitgevoerd worden.

Figuur 6.2: Energie die naar de condensatorbank gaat

Er wordt gerekend met het worstcase geval. Voor deze simula e betekent het dat er 211 kJ vrijkomt. Met andere woorden is dat het overschot in de DC-tussenkring. Als men rekening houdt met een DC/DC-omvormer met een efficiën e van ongeveer 95% komt dat neer op ongeveer 200 kJ die gebufferd moet worden. Het is de omvormer die bepaalt wat de spanning is over de energiebuffer en met formule 2.4 kan de totale capaciteit berekend worden die nodig is om het energieoverschot te kunnen bufferen.

43

Chapter 6. Dimensionering

Dimensioneringsoefening Aan de hand van bovenstaande gegevens wordt er nu een voorbeeld uitgewerkt. Er moet een totale hoeveelheid van 200 kJ gebufferd worden. Vervolgens veronderstellen we een DC/DC-omvormer die een secundaire spanning hee van maximaal 24 V. Voor een op maal gebruik van de supercaps wordt er gewerkt met een spanningsrange tussen 50% en 100%. De totale benodigde capaciteit wordt dan met behulp van formule 2.4: C=

2·E 2 − Umin

2 Umax

2 · 211k 242 − 122 C = 976.9F

C=

De spanning die maximaal over een supercap mag staan ligt rond de 2.7 V. Omdat de spanning in de condensatorbank (na de omvormer) kan oplopen tot 24 V, kan er geconcludeerd worden dat er 9 supercondensatoren in serie moeten staan. In dit voorbeeld wordt er gekozen voor supercondensatoren van 3000 F [25]. Met behulp van formule 2.5 kan de totale capaciteit van de seriekring berekend worden. Ctot wordt dan 500 F. Omdat er in totaal 976.9 F gebufferd moet worden, moeten er dus 2 parallelketens komen.

6.3 Besluit Uit het economisch model kan er afgeleid worden dat zowel AFE als een energiebuffering met supercondensatoren rendabel is. De terugverdien jd van AFE is iets korter vergeleken met een energiebuffer van supercondensatoren. Daarnaast worden bij energiebuffering met supercondensatoren geen rekening gehouden met het feit dat die buffer piekbelas ng opvangt. Omdat de buffer piekbelas ng kan opvangen, kunnen de energiekabels naar het magazijn kleiner gedimensioneerd worden. Het kan zelfs gebeuren dat de transformator kleiner gedimensioneerd kan worden. Omdat die effecten buiten de doelstellingen van de masterproef vallen, werden ze niet meegerekend. Aan de hand van het simula emodel kan de energiebuffer gedimensioneerd worden. Omdat er gewerkt wordt met de maximale waarde van de energie die vrijkomt, is de buffer berekend op het worstcasegeval. De parameters om aan die energiewaarden te geraken zijn: • De massa van het bewegend deel (bepalen poten ële energie) • Maximale hoogte dat die massa kan vallen (bepalen poten ële energie) • Snelheidsprofiel (om energiestroom te kennen in de jd) • Verliezen in het systeem – motor – transmissie – wrijving De energievrijgave is niet al jd maximaal, daarom kan er eventueel een extra remweerstand in het systeem opgenomen worden om de kosten te toen dalen. De energie die verbrand wordt dient, geregeld te worden. Daardoor wordt het systeem complexer, maar dat valt buiten het bestek van de masterproef.

44

7

Besluit

Het doel van de masterproef was om na te gaan wat de mogelijkheden zijn van supercondensatoren om ze te integreren in de tussenkring van de snelheidsregelaar van een motor. De energie die vrijkomt door het dalen van een last, zou dan in die energiebuffer met supercaps opgeslagen kunnen worden. De masterproef start met een literatuurstudie. In de studie werden eerst een aantal regenera eve technologieën overlopen die relevant kunnen zijn voor de energieopslag in een automa sch magazijn. Ba erijen slaan hun energie chemisch op. Daardoor kunnen ze meer energie opslaan in vergelijking met condensatoren. Condensatoren daarentegen slaan energie op in een elektrisch veld, waardoor hun opslaghoeveelheid kleiner is, maar ze kunnen sneller werken vergeleken met ba erijen. Bij supermagne sche energieopslag wordt de energie opgeslagen in een magne sch veld. Omwille van dat feit kan er meer energie opgeslagen worden als men dat vergelijkt met condensatoren, maar de kostprijs voor een SMES-installa e is heel groot. AFE is een buitenbeentje betreffende energieopslag, omdat het distribu enet gebruikt wordt als buffer. Het voordeel is dat je theore sch gezien oneindig veel energie kan bufferen. In de toekomst kunnen flow ba eries de markt van de ba erijen overnemen. Ze zijn het best te vergelijken met een brandstofcel met dat verschil dat een flow ba ery een reversibel proces hee . Op dit moment zi en flow ba eries nog in hun ontwikkelingsfase. Supercondensatoren mogen beschouwd worden als getunede condensatoren. Ze kunnen in 3 klassen opgedeeld worden: EDLC's, pseudocondensatoren en hybride condensatoren. De EDLC hee zijn grada es op groo e van het elektrodemateriaal. EDLC's op basis van ac ef kool bestaan op dit moment het langst, wat zich vertaalt in een guns ge prijs. Hoe kleiner het elektrodemateriaal wordt, hoe groter de energie-inhoud is of zal worden. De nieuwste ontwikkelingen zijn EDLC's op basis van grafeen. Het spreekt voor zich dat de technologie nog niet volledig doorgrond is en met andere woorden nog niet gebruikt wordt in de industrie. Pseudocondensatoren op basis van polymeren ondervinden stabiliteitsproblemen bij het open ontladen. De pseudocaps op basis van metaaloxiden worden ook niet veel toegepast, omdat de prijs te hoog ligt vergeleken met andere supercaps. Door stabiliteitsproblemen en het kostenplaatje worden pseudocondensatoren in het algemeen niet meer verder ontwikkeld. Een hybride condensator combineert een EDLC met een pseudocondensator. Omdat die energieopslag zowel elektrisch als chemisch gebeurt, hee het de grootste energie-inhoud. Het product is nog volop in ontwikkeling, waardoor de prijs hoog ligt ten opzichte van andere types supercondensatoren. Een energiebuffer kan op meerdere manieren geïntegreerd worden in een tussenkring. De efficiëntste manier is door gebruik te maken van een DC/DC-omvormer tussen de energiebuffer en de tussenkring. Daardoor kan de spanning in de tussenkring hoog blijven, wat het reac evermogen van opstelling niet beïnvloedt. Een tweede voordeel is het feit dat de spanning over de energiebuffer geregeld wordt, waardoor de energieopslag geop maliseerd kan worden. Het grootste nadeel is de DC/DC-omvormer zelf. Die omvormers zijn namelijk nog niet commercieel beschikbaar. Er werd een simula emodel gebouwd die de kraanbewegingen moest simuleren. Parameters die opgenomen werden in het model zijn: de maximale massa van het bewegend deel, de maximale valhoogte, het snelheidsprofiel en de verliezen in het systeem. In het model werd een snelheidstraject aangelegd waarbij de last van de kraan eerst daalde en vervolgens terug steeg. Uit het energieverbruik kan er geconcludeerd worden dat een energiebuffer, waarbij de DC/DC-omvormer tussen de buffer en de tussenkring zit, 1% efficiënter is vergeleken met AFE. Vervolgens werd het simula emodel vergeleken met een testopstelling. Daaruit blijkt dat er in het model geen rekening gehouden werd met het rendement van de omvormers als ze in deellast werken. Dat vormt op zich geen probleem, daar ze in het model instelbaar zijn. Omdat het rendement van de omvormers in deellast kleiner is dan

45

Chapter 7. Besluit

vooropgesteld, kan er geconcludeerd worden dat een opstelling met supercaps nog efficiënter is vergeleken met AFE. Verder werd er geen rekening gehouden met het eigenverbruik van de drives, zodat er op het model een kleine afwijking ontstaat. In het economisch gedeelte van de masterproef wordt de kost van AFE vergeleken met een opstelling met supercondensatoren. De energie die bespaard kan worden, is de energie die bij een remweerstand verbrand zou worden. Voor deze studie wordt het verschil in verbruik tussen AFE en supercondensatoren verwaarloosd. Er kan geconcludeerd worden dat AFE goedkoper is dan de energie te bufferen. Nie egenstaande het feit dat een opstelling met supercondensatoren een terugverdien jd hee van 3 jaar. Als eindconclusie kan er gesteld worden dat het gebruik van supercondensatoren als energiebuffer een volwaardig alterna ef is vergeleken met het terugsturen van de energie naar het net. In wat volgt, worden kort de pro's en contra's meegegeven voor de keuze van AFE of een energiebuffer van op basis van supercondensatoren. AFE Goedkoper Minder onderhoud Transformator kan grote energiestromen niet aan Overbelas ng van het distribu enet mogelijk

(+) (+) (-) (-)

Energiebuffer met supercondensatoren Efficiënter Vervangingsprogramma voor de condensatorbank De kabels kunnen kleiner gedimensioneerd worden Opvangen piekbelas ng / belasten het net minder Minder taxen op piekvermogens (MS-klanten)

Er is al veel werk verricht, maar toch zijn er nog veel op malisa emogelijkheden voor een volgend onderzoek. Er werd beslist om vervolg te breien aan dit onderzoek in het kader van een nieuwe masterproef. Daarvoor wordt er een testopstelling aangekocht met supercondensatoren om het onderzoek te vervolledigen. Om de energieopslag te op maliseren voor grotere opslaghoeveelheden, kan er onderzoek gevoerd worden naar combina esystemen waarbij er parallel aan de supercondensatoren ba erijen worden gekoppeld. Op economisch gebied kan er onderzoek gevoerd worden naar de combina e van AFE en energiebuffering of een energiebuffer en een remweerstand. Dat laatste kan de kost van het systeem drukken. Op dit moment is de energiebuffer gedimensioneerd op het worstcasegeval, namelijk op een maximale energieopslag. In de realiteit komt dat echter niet al jd voor, waardoor de opslagcapaciteit niet ten volle benut wordt. Als tweede item kan de economische studie verfijnd worden door rekening te houden met de dimensionering van transformatoren en energiekabels. Daarnaast kan het verschil in verbruik tussen AFE en de energiebuffer meegerekend worden die nu verwaarloosd werd. In de studie werd er van uitgegaan dat de omvormers met een constant rendement werken. Dat is echter niet zo. Het model kan nog uitgebreid worden met de isorendementscurve van de omvormers. Tot slot kan het effect van de inwendige weerstand van de supercap bekeken worden om een eventueel rendementsverlies in kaart te brengen.

46

(+) (-) (+) (+) (+)

Literatuurlijst [1] K. Bradbury, `Ènergy storage technology review,'' 2010. [Datum van opzoeking:15/09/2014]. [2] http://www.afec.co.jp/english/lic/feature. [Datum van opzoeking:03/11/2014]. [3] http://www.carotron.com/applications/csag-d/. [Datum van opzoeking:15/05/2015]. [4] http://www.egemin-automation.be/nl/. [Datum van opzoeking:05/12/2014]. [5] H. Chen, T. N. Cong, W. Yang, C. Tan, Y. Li, and Y. Ding, ``Progress in electrical energy storage system: A cri cal review,'' Progress in Natural Science, vol. 19, no. 3, pp. 291 -- 312, 2009. [Datum van opzoeking:05/09/2014]. [6] K. Stockman, Elektromechanische aandrijfsystemen I, ch. Induc emachine of asynchrone machine. 20132014. [Datum van opzoeking:17/09/2014]. [7] M. Skyllas-Kazacos, M. H. Chakrabar , S. A. Hajimolana, F. S. Mjalli, and M. Saleem, ``Cri cal review in electrochemical and solid-state science and technology,'' Journal of The Electrochemical Society, vol. 158, no. 8, pp. R55 -- R79, 2011. [Datum van opzoeking:22/05/2015]. [8] M. Aslani, `Èlectrochemical double layer capacitors (supercapacitors),'' 2012. 10/11/2014].

[Datum van opzoeking:

[9] M. S. H. en James C. Ellenbogen, ``Supercapacitors: A brief overview,'' tech. rep., MITRE, maart 2006. [Datum van opzoeking:01/09/2014]. [10] muRata, High Performance Electrical Double-Layer Capacitors. [Datum van opzoeking:11/09/2014]. [11] A. Pandolfo and A. Hollenkamp, ``Carbon proper es and their role in supercapacitors,'' Journal of Power Sources, vol. 157, no. 1, pp. 11 -- 27, 2006. [Datum van opzoeking:12/09/2014]. [12] E. Frackowiak and F. Béguin, ``Carbon materials for the electrochemical storage of energy in capacitors,'' Carbon, vol. 39, no. 6, pp. 937 -- 950, 2001. [Datum van opzoeking:12/09/2014]. [13] W. Wang, S. Guo, I. Lee, K. Ahmed, J. Zhong, and Z. Favors, ``Hydrous ruthenium oxide nanopar cles anchored to graphene and carbon nanotube hybrid foam for supercapacitors,'' Scien fic Reports, 25 maart 2014. [Datum van opzoeking:10/11/2014]. [14] M. Mastragos no, C. Arbizzani, and F. Soavi, ``Polymer-based supercapacitors,'' Journal of Power Sources, vol. 97–98, no. 0, pp. 812 -- 815, 2001. Proceedings of the 10th Interna onal Mee ng on Lithium Ba eries [Datum van opzoeking:09/09/2014]. [15] Y. Cheng, J. Van Mierlo, P. Van den Bossche, and P. Lataire, ``Super capacitor based energy storage as peak power unit in the applica ons of hybrid electric vehicles,'' in IEE conference publica on, pp. 404--408, Ins tu on of Electrical Engineers, 2006. [Datum van opzoeking:11/09/2014]. [16] J. V. Mierlo, J.-M. Timmermans, G. Magge o, and P. V. D. Bossche, ``Peak power based fuel cell hybrid propulsion system,'' in The World Electric Vehicle Associa on Journal, pp. 54--61, WEVA, 2007. [Datum van opzoeking:11/09/2014]. [17] J. Timmermans, P. Zadora, Y. Cheng, J. Van Mierlo, and P. Lataire, ``Modelling and design of super capacitors as peak power unit for hybrid electric vehicles,'' in Vehicle Power and Propulsion, 2005 IEEE Conference, pp. 8--pp, IEEE, 2005. [Datum van opzoeking:11/09/2014]. [18] http://www.moog.com/products/servodrives-drives-drive-systems/ dynamic-energy-unit-servo-drive-accessory/. [Datum van opzoeking:12/03/2015].

47

Chapter 7. Besluit

[19] http://www.bremsenergie.de/en/products/des/des-3-0-des-4-0. king:12/03/2015].

[Datum van opzoe-

[20] http://www.moviaxis.com/systemkomponenten.html. [Datum van opzoeking:12/03/2015]. [21] Interne nota verkregen via Maxime Vuylsteke [Datum van opzoeking:16/10/2014]. [22] http://www.mouser.be/Search/Refine.aspx?N=9947044. [Datum van opzoeking:05/03/2015]. [23] W. Driesen, `Ènergierecupera e- en energieopslag,'' tech. rep., Sirris and Flanders Make, 2014. [Datum van opzoeking:05/03/2015]. [24] Prijslijst van regenera eve units van SEW [Datum van opzoeking:15/04/2015]. [25] http://www.mouser.be/ProductDetail/Maxwell-Technologies/BCAP3000-P270-K05/?qs= sGAEpiMZZMuDCPMZUZ%252bYl4vDGR228uRDQHzsOTIV6xw%3d. [Datum van opzoeking:21/05/2015]. [26] C. Merlevede, Cursus analy sche chemie, ch. A. Redoxanalyse. king:17/09/2014].

2009-2010.

[Datum van opzoe-

48

A

Redoxreac es

Een redoxreac e is een chemisch proces waarbij er elektronen uitgewisseld worden tussen verschillende moleculen. Tijdens het proces staat de reductor1 elektronen af die een oxidator2 opneemt. De werking van een redoxreac e wordt aan de hand van een voorbeeld geïllustreerd3 . In dit voorbeeld wordt er gewerkt met de metalen koper en zink, en hun zouten.

Figuur A.1: Schema sche weergave van de redoxreac e tussen koper en zink

Bij deze opstelling vinden er 2 deelreac es plaats: Zn2+ + 2e2− ⇀ ↽ Zn

+ 0.34V

(A.1)

Cu2+ + 2e2− ⇀ ↽ Cu

− 0.76V

(A.2)

Iedere vergelijking hee een redoxpoten aal. Die worden via een spanningsreeks (met bijvoorbeeld waterstof als referen e) bepaald. Daarbij geldt dat de stof met het grootste poten aal de sterkste oxidator is. In het voorbeeld is dat zink (vergelijking A.1). Dat wil zeggen dat zink fungeert als oxidator en koper als reductor. Omdat de elektronenbalans moet kloppen4 , zal koper (vergelijking A.2) zijn elektronen moeten afstaan, waardoor die vergelijking omkeert. De reac e wordt dan: ⇀ Zn Zn2+ + 2e2− ↽ 2+ ⇀ Cu ↽ Cu + 2e2− Zn2+ + Cu ⇀ ↽ Zn + Cu2+ De reac e hee een poten aal van: 0 0 ∆E 0 = Eoxidator − Ereductor

∆E 0 = 0.34 − (−0.76) = 1.1V De reac e hee een poten aalverschil dat groter is dan 0.3 V. Dat wil zeggen dat de reac e aflopend is en dat ze dus geen probleem hee om door te gaan. In een redoxcondensator (of pseudocondensator) is het belangrijk dat de reac e reversibel is, zodat het systeem zonder al te veel verlies open ontladen kan worden. Om de cellen in dit voorbeeld terug op te laden, moet de externe spanning dus groter zijn dan 1.4 V. De groo e van de spanning zegt niets over de reac esnelheid waarmee de reac e gebeurt. Daarom is het soms noodzakelijk om een katalysator aan het systeem toe te voegen. [26] 1 Is

een stof die een andere stof reduceert en zelf oxideert een stof die een andere stof oxideert en zelf reduceert. 3 In de pseudocondensatoren vinden er meestal complexe reac es plaats die analoog verlopen met dit voorbeeld. In het voorbeeld worden er 2 verschillende stoffen genomen om verwarring te vermijden. 4 Een redoxreac e is gekoppeld. Dat wil zeggen dat het elektronentransport rechtstreeks gebeurt, van de reductor naar de oxidator. 2 Is

49

B

Code regenera eve unit

f u n c t i o n [ OUT_TypeTechnologie , OUT_P_DC_bus_naar_net, OUT_Energie_naar_caps , OUT_Energie_verbrand ] = RegeneratieveUnit (IN_P_DC_Motorzijde , EnergieInDeCaps , t , TypeTechnologie ) %% I n i t i a l i s a t i e % Onthouden van de waarden i n de v o r i g e c y c l u s p e r s i s t e n t Energy_in_caps p e r s i s t e n t Energy_burned % Ophalen van de i n i t i e l e waarde u i t de workspace i f isempty ( Energy_in_caps ) ; Energy_in_caps = EnergieInDeCaps ; Energy_burned = 0 ; end % ’ Type t e c h n o l o g i e ’ wordt h i e r opgeroepen vanuit de workspace en % tevens naar buiten gebracht voor een andere f u n c t i e b l o k OUT_TypeTechnologie = TypeTechnologie ;

wordt ook gebruikt , maar wordt

%% Verwerking van de data %% AFE % B i j AFE moet e r i n d i t blok n i e t s gebeuren en wordt dus d o o r g e l u s t i f TypeTechnologie == 1 OUT_P_DC_bus_naar_net = IN_P_DC_Motorzijde ; % e r wordt een uitgang verwacht , maar omdat ze h i e r n i e t g e b r u i k t worden , wordt e r een % 0 uitgestuurd OUT_Energie_naar_caps = 0 ; OUT_Energie_verbrand = 0 ;

%% supercaps e l s e i f TypeTechnologie == 2 % a l s de waarde van het vermogen n e g a t i e f i s , wordt e r e n e r g i e g e r e c u p e r e e r d ( van % motor naar de condensatoren ) . => * -1 om het vermogen p o s i t i e f voor t e s t e l l e n voor % i n j e c t i e naar de c a p s . Als de waarde van het vermogen p o s i t i e f i s , wordt e r e n e r g i e % naar de motoren g e s t u u r d . i f IN_P_DC_Motorzijde <= 0 % De condensatoren worden OPGELADEN Energy_in_caps = Energy_in_caps - t *IN_P_DC_Motorzijde ; OUT_P_DC_bus_naar_net = 0 ; OUT_Energie_naar_caps = Energy_in_caps ; % e r wordt een uitgang verwacht , maar omdat ze h i e r n i e t g e b r u i k t worden , wordt e r % een 0 u i t g e s t u u r d OUT_Energie_verbrand = 0 ; else % De condensatoren worden ONTLADEN i f ( Energy_in_caps - IN_P_DC_Motorzijde* t ) > 0 Energy_in_caps = Energy_in_caps - IN_P_DC_Motorzijde* t ; OUT_P_DC_bus_naar_net = 0 ; OUT_Energie_naar_caps = Energy_in_caps ;

50

Appendix B. Code regenera eve unit

% e r wordt een uitgang verwacht , maar omdat ze h i e r n i e t g e b r u i k t worden , wordt % e r een 0 u i t g e s t u u r d OUT_Energie_verbrand = 0 ; else %Energy_in_caps = 0 ; OUT_P_DC_bus_naar_net = IN_P_DC_Motorzijde* t ; OUT_Energie_naar_caps = 0 ; % e r wordt een uitgang verwacht , maar omdat ze h i e r n i e t g e b r u i k t worden , wordt % e r een 0 u i t g e s t u u r d OUT_Energie_verbrand = 0 ; end end %% Remweerstand e l s e i f TypeTechnologie == 3 % a l s de waarde n e g a t i e f i s , wordt e r e n e r g i e verbrand ( van motor naar de caps ) . % => * -1 om het vermogen p o s i t i e f voor t e s t e l l e n voor de i n j e c t i e naar de remweerstand. % Als de waarde van het vermogen p o s i t i e f i s , wordt e r e n e r g i e naar de motoren g e s t u u r d . i f IN_P_DC_Motorzijde <= 0 % Verbranden van e n e r g i e Energy_burned = Energy_burned - t *IN_P_DC_Motorzijde ; OUT_P_DC_bus_naar_net = 0 ; OUT_Energie_verbrand = Energy_burned ; % e r wordt een uitgang verwacht , maar omdat ze h i e r n i e t g e b r u i k t worden , wordt e r % een 0 u i t g e s t u u r d OUT_Energie_naar_caps = 0 ; else % Energie nodig van het net OUT_P_DC_bus_naar_net = IN_P_DC_Motorzijde ; OUT_Energie_verbrand = 0 ; % e r wordt een uitgang verwacht , maar omdat ze h i e r n i e t g e b r u i k t worden , wordt e r % een 0 u i t g e s t u u r d OUT_Energie_naar_caps = 0 ; end %% Error else e r r o r ( ’De parameter ” TypeTechnologie ” werd n i e t c o r r e c t i n g e v u l d . ’ ) ; end

51

C

Code economisch model

Op de volgende bladzijden (start op pagina 53) wordt de Matlabcode van het economisch model weergegeven.

52

% hoe lang w i l j e p l o t t e n % p l o t t e n over een per j a a r i n c l . j a a r 0

% Energiekost prijsElek = 0 .13 ;

% � /kWh h u i d i g e p r i j s i n c l . taksen

%% Condensatorbank % Kosten PrijsCaps = 15615; % � /kWh geba sseerd op Mouser.be => Maxwell Technologies % voor een i n s t a l l a t i e gedimensioneerd op een stockage van 200 kJ . ( b i j een g r o t e r e aankoop v o l g t dat de p r i j s per kWh d a a l t ) PrijsOmvormer = 70000; % � /kWh geba sseerd op eco mechatronics % Levensduur componenten levensduurOmvormerCondensatorbank = 2 0 ;

% jaar

CyclussenCaps = 1000000; CyclussenPerUur = 1 2 5 ; WerkurenPerDag = 8 ; WerkdagenPerJaar = 2 1 0 ; CyclussenPerJaar = CyclussenPerUur*WerkurenPerDag*WerkdagenPerJaar ;

% a a n t a l c y c l u s s e n dat een supercap aan kan

levensduurCaps = CyclussenCaps/ CyclussenPerJaar ;

% jaar

% S e l e c t e r e n van de benodigde e n e r g i e i n de caps Percentage = 100/100; Percentage = Percentage *0 . 9 5 ; Energiemax = Percentage *max( Energy_in_Capacitor ( : , 1 ) ) ; Energiemax = Energiemax /3600000; EnergieverbruikPerJaar = Energiemax* CyclussenPerJaar ;

% % % % %

% Berekeningen voor de p l o t PlotCaps = z e r o s ( 1 , l e n g t h ( x ) ) ; PrijsCaps = PrijsCaps *Energiemax ; PrijsOmvormer = PrijsOmvormer*Energiemax ;

% maken van een l e g e array % k o s t p r i j s voor de c o n d e n s a t o r b a t t e r i j % k o s t p r i j s voor de omvormer

percentage van de e n e r g i e d i e j e w i l r e c u p e r e r e n v i a caps i n rekening brengen van het rendement van de DC/DC- omvormer Joule per c y c l u s kWh per c y c l u s kWh per j a a r

53

positie = 1; % i n v u l l e n van de waarden i n de array while p o s i t i e <= l e n g t h ( x ) PlotCaps ( 1 , p o s i t i e ) = c e i l ( x ( 1 , p o s i t i e )/ levensduurOmvormerCondensatorbank )* PrijsOmvormer + c e i l ( x ( 1 , p o s i t i e )/ levensduurCaps )* PrijsCaps ;

Appendix C. Code economisch model

%% Het economisch model % T i j d s b e s t e k waarover gemeten wordt. jaar = 20; x = 0:0 .5 : jaar ;

%% AFE levensduurOmvormerAFE = 2 0 ;

% jaar

t i j d S i m u l a t i e = max( O r d e r M a t r i x . R e s u l t . t _ t i j d ) ;

% t i j d s d u u r van de s i m u l a t i e

Pafe = Pgem/1000; PrijsAFE = 37 . 6 8 3 * Pafe + 1008 . 7 ;

% berekenen gemiddeld vermogen (kW) % gebaseerd op p r i j z e n van SEW

% Berekeningen voor de p l o t positie = 1; % i n v u l l e n van de waarden i n de array while p o s i t i e <= l e n g t h ( x ) PlotAFE ( 1 , p o s i t i e ) = c e i l ( x ( 1 , p o s i t i e )/ levensduurOmvormerAFE )* PrijsOmvormer ; positie = positie + 1; end %% e n e r g i e verbrand % Berekeningen voor de p l o t . PlotGewoon = z e r o s ( 1 , l e n g t h ( x ) ) ; KostGewoonVerbruikPerJaar = EnergieverbruikPerJaar * p r i j s E l e k ; positie = 1; while p o s i t i e <= l e n g t h ( x ) PlotGewoon ( 1 , p o s i t i e ) = KostGewoonVerbruikPerJaar*x ( 1 , p o s i t i e ) ; positie = positie + 1; end

% maken van een l e g e array % e n e r g i e k o s t per j a a r zonder r e c u p e r a t i e % i n v u l l e n van de waarden i n de array

54

%% p l o t figure hold on g r i d on t i t l e ( ’ Payback time ’ ) p l o t ( x , PlotGewoon , ’ Color ’ , ’ r ’ ) p l o t ( x , PlotCaps , ’ Color ’ , ’ b ’ ) p l o t ( x , PlotAFE , ’ Color ’ , ’ g ’ ) x l a b e l ( ’ ye a r s ’ ) ylabel ( ’ � ’ ) legend ( ’ Without r e c u p e r a t i o n o f brake energy ’ , ’ Recuperation with e n e r g y b u f f e r ’ , ’ Recuperation with AFE’ ) hold o f f

Appendix C. Code economisch model

positie = positie + 1; end

Analyse van supercondensatoren in een toepassing voor automatische magazijnen

Recommend Documents